Стабілітрони та стабістори Стабілітронами та стабісторами називають напівпровідникові прилади, призначені для стабілізації напруги. Робота стабілітрону заснована на використанні явища електричного пробою p-n-переходу при включенні діода у зворотному напрямку. Робота стабісторів заснована на використанні слабкої залежності прямої гілки ВАХ діода струму, що протікає через нього. ВАХ стабілітрона в прямому напрямку практично не відрізняється від прямої гілки будь-якого кремнієвого діода. Зворотна гілка її має вигляд лінії, що проходить майже паралельно до осі струмів. Тому при зміні в межах струму падіння напруги на приладі практично не змінюється. Ця властивість кремнієвих діодів дозволяє використовувати їх як стабілізатори напруги. УГО стабілітрона.
Основні параметри стабілітрона Основні параметри стабілітрона: номінальна напруга стабілізації U ст.nom - падіння напруги на діоді при номінальному струмі стабілізації I ст.nom; допустиме відхилення напруги стабілітрону від номінального значення U ст; мінімальний струм стабілізації I ст.min; максимальний струм стабілізації I ст. При перевищенні починається тепловий пробій; мінімальна напруга стабілізації U ст.min; максимальна напруга стабілізації U ст.max; диференціальний опір стабілітрону r д = (U ст.max - U ст.min) / (I ст.max - I ст.min);
Основні параметри стабілітрона температурний коефіцієнт напруги стабілізації (TKН) – відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури довкілля: TKН = U ст / (U ст.nom * T); максимальна потужність розсіювання Pmax.
Світлодіод Світлодіод називається випромінювальний напівпровідниковий приладпризначений для безпосереднього перетворення електричної енергії на світлову. При подачі на р-n-перехід прямої напруги спостерігається інтенсивна інжекція основних носіїв заряду та їх рекомбінація, коли носії заряду зникають. У багатьох напівпровідників рекомбінація носить безвипромінювальний характер - енергія, що виділяється при рекомбінації, віддається кристалічним гратам і перетворюється на тепло. Однак у напівпровідників, виконаних на основі карбіду кремнію (SiC), галію (Ga), миш'яку (As) та деяких інших матеріалів, рекомбінація є випромінювальною енергія рекомбінації виділяється у вигляді квантів випромінювання фотонів.
Параметри світлодіодів Основні параметри: пряма постійна напруга U пр при максимально допустимому прямому струмі I пр.max; максимально допустимий прямий струм I пр.max; яскравість світіння В діода при максимально допустимому прямому струмі I пр.max; повна потужність випромінювання P повний при прямому постійному струмі певної величини; ширина діаграми спрямованості світлового випромінювання.
Характеристики світлодіодів Основні характеристики світлодіода спектральна та характеристика спрямованості. Спектральна характеристики визначає залежність відносної яскравості випромінювання від довжини хвилі, що випромінюється, при певній температурі. Характеристика спрямованості визначає значення відносної інтенсивності світлового випромінювання, залежно від спрямованості випромінювання.
Фотодіод Фотодіод являє собою фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього посилення, фоточутливий елемент містить структуру p-n-переходу. При освітленні p-n-переходу фотодіода, включеного у зворотному напрямку, збільшується додаткова кількість електронів та дірок. Зростає кількість неосновних носіїв заряду, які проходять через перехід. Це призводить до збільшення струму в ланцюзі. Режим роботи фотодіода із зовнішнім джерелом живлення називається фотодіодним, а без зовнішнього джерела – вентильним. У більшості випадків діод включають у зворотному напрямку.
Основні характеристики фотодіода Вольт-амперна характеристика Iд = f(U) при Ф = const визначає залежність струму фотодіода від напруги на ньому при постійній величині світлового потоку. При повному затемненні (Ф = 0) через фотодіод протікає темнова струм I тм. Зі зростанням світлового потоку струм фотодіода збільшується. Світлова характеристика зображує залежність струму фотодіода від величини світлового потоку при постійній напрузі на фотодіоді: I д = f(Ф) при U д = const. У широкому діапазоні змін світлового потоку світлова характеристика фотодіода виявляється лінійною. Спектральна характеристика показує залежність спектральної чутливості від довжини хвилі світла, що падає на фотодіод.
Основні параметри фотодіода Основні параметри фотодіодів: інтегральна чутливість До відношення фотоструму діода до інтенсивності падаючого світлового потоку від стандартного джерела (вольфрамова лампа розжарювання з колірною температурою нитки 2854); робоча напруга U p напруга, що прикладається до приладу у фотодіодному режимі. темповий струм I гм струм, що протікає в ланцюзі діода при робочій напрузі та відсутності освітлення. довговічність Т Д мінімальний термін служби за нормальних умов експлуатації.
Застосування фотодіодів Основні застосування: пристрої введення та виведення ЕОМ; фотометрія; контроль джерел світла; вимірювання інтенсивності висвітлення, прозорості середовища; автоматичне регулювання та контроль температури та інших параметрів, зміна яких супроводжується зміною оптичних властивостей речовини чи середовища.
Діод Шотки Діод Шоттки це напівпровідниковий діод, виконаний на основі контакту метал – напівпровідник. Розглянемо роботу контакту метал – напівпровідник. Процеси за такого контакту залежить від роботи виходу електронів. тобто від тієї енергії, яку електрон повинен витратити, щоб вийти із металу чи напівпровідника. Нехай А м 
Діод Шотки Переважає вихід електронів із металу в напівпровідник. У шарі напівпровідника накопичуються основні носії заряду (електрони), і цей шар стає збагаченим. Опір такого шару мало при будь-якій напрузі живлення. Нехай А м > А n. "> А n."> " title="(!LANG:Діод Шотки Переважає вихід електронів з металу в напівпровідник. У шарі напівпровідника накопичуються основні носії заряду (електрони) і цей шар стає збагаченим. Опір такого шару мало при будь-якій напрузі живлення. Нехай А м >"> title="Діод Шотки Переважає вихід електронів із металу в напівпровідник. У шарі напівпровідника накопичуються основні носії заряду (електрони), і цей шар стає збагаченим. Опір такого шару мало при будь-якій напрузі живлення. Нехай А м >"> !}
Діод Шотки Електрони залишають напівпровідник і в прикордонному шарі утворюється область, збіднена основними носіями заряду і тому має великий опір. Створюється потенційний бар'єр, висота якого залежить від полярності прокладеного напруги. Цей перехід має випрямляючі властивості. Цей перехід досліджував німецький вчений Вальтер Шоткі і названий на його честь. Діоди на основі цього переходу має такі переваги в порівнянні з діодами на p-n-переході: висока швидкодія, оскільки в металі, куди приходять електрони з напівпровідника, відсутні процеси накопичення та розсмоктування зарядів неосновних носіїв; мале значення прямого падіння напруги (близько 0.2 - 0.4В), що пояснюється незначним опором контакту метал-напівпровідник.
Слайд 2
Діод - електровакуумні або напівпровідникові прилади, що пропускають змінний електричний струмтільки в одному напрямку та мають два контакти для включення в електричний ланцюг.
Слайд 3
Діод має два контакти, які називають анодом та катодом. При включенні діода в електричний ланцюг струм протікає від анода до катода. Вміння проводити струм тільки в один бік – основна властивість діода. Діоди відносяться до класу напівпровідників і вважаються активними електронним компонентам (резистори та конденсатори – пасивними).
Слайд 4
Одностороння провідність діода є його основною властивістю. Це властивість і визначає призначення діода: - Перетворення високочастотних модульованих коливань в струми звукової частоти (детектування); - Випрямлення змінного струму в постійний Властивості діода
Слайд 5
Класифікація діодів За вихідним напівпровідниковим матеріалом діоди ділять на чотири групи: германієві, кремнієві, з арсеніду галію та фосфіду індію. Германієві діоди використовуються широко в транзисторних приймачах, тому що мають вищий коефіцієнт передачі, ніж кремнієві. Це пов'язано з їх більшою провідністю при невеликій напрузі (близько 0,1...0,2) сигналу високої частоти на вході детектора і порівняно малому опорі навантаження (5...30 кОм). Напівпровідникові діоди
Слайд 6
За конструктивно-технологічною ознакою розрізняють діоди точкові та площинні. За призначенням напівпровідникові діоди ділять на такі основні групи: випрямні, універсальні, імпульсні, варикапи, стабілітрони (опорні діоди), стабістори, тунельні діоди, звернені діоди, лавинно-прогонові (ЛПД), тиристори, фотодіоди, світлодіоди.
Слайд 7
Діоди характеризуються такими основними електричними параметрами: - Струмом, що проходить через діод у прямому напрямку (прямий струм Іпр); – струмом, що проходить через діод у зворотному напрямку (зворотний струм Іобр); - Найбільшим допустимим випрямленим СТРУМОМ випр. макс; – найбільшим допустимим прямим струмом І пр.дод.; - Прямою напругою U n p ; - Зворотним напругою і про Р; – найбільшою допустимою зворотною напругою та обр.макс – ємністю Сд між висновками діода; – габаритами та діапазоном робочих температур
Слайд 8
При підключенні діода в ланцюг має бути дотримана правильна полярність. Щоб було легко визначити розташування катода і анода, на корпус або один із висновків діода наносять спеціальні мітки. Зустрічаються різні способимаркування діодів, але найчастіше на бік корпусу, що відповідає катоді, наносять кільцеву смужку. Якщо маркування діода відсутнє, то висновки напівпровідникових діодів можна визначити за допомогою вимірювального приладу - діод пропускає струм лише в один бік.
Слайд 9
Роботу діода можна наочно уявити з допомогою простого експерименту. Якщо до діода через малопотужну лампу розжарювання підключити батарею так, щоб позитивний висновок батареї був з'єднаний з анодом, а негативний - з катодом діода, то в електричному ланцюгу, що вийшов, потече струм і лампочка загориться. Максимальна величина цього струму залежить від опору напівпровідникового переходу діода та поданої на нього постійної напруги. Даний стан діода називається відкритим, струм, що тече через нього, - прямим струмом I пр, а подане на нього напруга, через яке діод опинився у відкритому, - прямою напругою U пр. Якщо висновки діода поміняти місцями, то лампа не світитиметься , так як діод перебуватиме в закритому стані і чинитиме струму в ланцюгу сильний опір. Варто відзначити, що невеликий струм через напівпровідниковий перехід діода у зворотному напрямку все ж таки потече, але в порівнянні з прямим струмом буде настільки маленьким, що лампочка навіть не зреагує. Такий струм називають зворотним струмом I обр, а напруга, що створює його, - зворотним напругою U обр.
10
Слайд 10
Маркування діодів На корпусі діода зазвичай вказують матеріал напівпровідника, з якого він виготовлений (літера або цифра), тип (літера), призначення або електричні властивості приладу (цифра), букву, що відповідає різновиду приладу, та дату виготовлення, а також його умовне позначення. Умовне позначення діода (анод і катод) показує, як потрібно підключати діод на платах пристроїв. Діод має два висновки, один з яких – катод (мінус), а інший – анод (плюс). Умовне графічне зображення на корпусі діода наноситься у вигляді стрілки, що вказує на прямий напрямок, якщо стрілки немає, то ставиться знак «+». На плоских висновках деяких діодів (наприклад, серії Д2) прямо виштамповано умовне позначення діода та його тип. При нанесенні коду кольору, кольорову мітку, точку або смужку наносять ближче до анода (рис. 2.1). Для деяких типів діодів використовується кольорове маркування як точок і смужок (табл. 2.1). Діоди старих типів, зокрема точкові, випускалися у скляному оформленні та маркувалися літерою «Д» з додаванням цифри та літери, що позначають підтип приладу. Німеччино-індієві площинні діоди мали позначення «Д7».
11
Слайд 11
Система позначень Система позначень складається із чотирьох елементів. Перший елемент (літера або цифра) вказує вихідний напівпровідниковий матеріал, з якого виготовлений діод: Г або 1 - германій* або 2 - кремній, А або 3 - арсенід галію, І або 4 - фосфід індію. Другий елемент - буква, що показує клас чи групу діода. Третій елемент - число, що визначає призначення чи електричні властивості діода. Четвертий елемент показує порядковий номер технологічної розробкидіода і позначається від А до Я. Наприклад, діод КД202А розшифровується: К - матеріал, кремній, Д - діод випрямляючий, 202 - призначення та номер розробки, А - різновид; 2С920 - кремнієвий стабілітрон великої потужності різновиду типу А; АІЗ01Б - фосфід-індійний тунельний діод перемикаючого різновиду типу Б. Іноді зустрічаються діоди, позначені за застарілими системами: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18. Діоди Д7 відрізняються від діодів ДГ-Ц суцільнометалевою конструкцією корпусу, внаслідок чого вони надійніше працюють у вологій атмосфері. Германієві діоди типу ДГ-Ц21…ДГ-Ц27 та близькі до них за характеристиками діоди Д7А…Д7Ж зазвичай використовують у випрямлячах для живлення радіоапаратури від мережі змінного струму. До умовного позначення діода не завжди входять деякі технічні дані, тому їх необхідно шукати в довідниках напівпровідникових приладів. Одним із винятків є позначення для деяких діодів з літерами КС або цифрою замість К (наприклад, 2С) – кремнієві стабілітрони та стабістори. Після цих позначень стоїть три цифри, якщо це перші цифри: 1 або 4, то взявши останні дві цифри та розділивши їх на 10, отримаємо напругу стабілізації Uст. Наприклад, КС107А - стабістор, Uст = 0,7 В, 2С133А - стабілітрон, Uст = 3,3 В. Якщо перша цифра 2 або 5, то останні дві цифри показують Uст, наприклад, КС 213Б - Uст = 13 В, 2С 291А - 0Uст = 91, якщо цифра 6, то до останніх двох цифр потрібно додати 100 В, наприклад, КС 680А - Uст = 180 В.
12
Слайд 12
Структурна схеманапівпровідникового діода з р – n-переходом: 1 – кристал; 2 - висновки (токопідводи); 3 – електроди (омічні контакти); 4 – площина р – n-переходу. Типова вольтамперна характеристика напівпровідникового діода з р – n-переходом: U – напруга на діоді; I - Струм через діод; U* oбр та I* oбр - максимальна допустима зворотна напруга та відповідний зворотний струм; U cт – напруга стабілізації.
13
Слайд 13
Малосигнальна (для низьких рівнів сигналу) еквівалентна схема напівпровідникового діода з р – n-переходом: r p-n – нелінійний опір р – n-переходу; r б - опір обсягу напівпровідника (бази діода); r yт - опір поверхневих витоків; Б - бар'єрна ємність р - n-переходу; С диф - дифузійна ємність, обумовлена накопиченням рухомих зарядів основу при прямому напрузі; С к - ємність корпусу; L до - індуктивність струмопідведення; А і Б – висновки. Суцільною лінією показано підключення елементів, що належать до р - n-переходу. Вольтамперні характеристики тунельного (1) та зверненого (2) діодів: U - напруга на діоді; I - струм через діод
14
Слайд 14
Напівпровідникові діоди (зовнішній вигляд): 1 – випрямний діод; 2 – фотодіод; 3 - НВЧ діод; 4 та 5 - діодні матриці; 6 – імпульсний діод. Корпуси діодів: 1 та 2 - метало-скляні; 3 та 4 - метало-керамічні; 5 – пластмасовий; 6 - скляний
15
Слайд 15
Діод Шоттки Діоди Шоттки мають дуже мале падіння напруги і мають підвищену швидкодію в порівнянні зі звичайними діодами. Стабілітрон / діод Зенера / Стабілітрон перешкоджає перевищенню напруги вище певного порогу на конкретній ділянці схеми. Може виконувати як захисні так і обмежувальні функції, вони працюють тільки в ланцюгах постійного струму. При підключенні слід дотримуватись полярності. Однотипні стабілітрони можна з'єднувати послідовно для підвищення напруги, що стабілізується, або утворення дільника напруг. Варикап Варикап (інакше ємнісний діод) змінює свій опір залежно від поданого на нього напруги. Застосовується як керований конденсатор змінної ємності, наприклад, для настроювання високочастотних коливальних контурів.
16
Слайд 16
Тиристор Тиристор має два стійкі стани: 1) закритий, тобто стан низької провідності, 2) відкритий, тобто стан високої провідності. Тобто він здатний під впливом сигналу переходити з закритого стану у відкритий. Тиристор має три висновки, крім Анода і Катода ще й електрод, що управляє - використовується для перекладу тиристора у включений стан. Сучасні імпортні тиристори випускаються і в корпусах ТО-220 і ТО-92Тиристори часто використовуються в схемах регулювання потужностей, для плавного пуску двигунів або включення лампочок. Тиристори дозволяють керувати великими струмами. У деяких типів тиристорів максимальний прямий струм досягає 5000 А і більше, а значення напруги в закритому стані до 5 кВ. Потужні силові тиристори виду Т143(500-16) застосовуються в шафах керування ел.двигунами, частотниках
17
Слайд 17
Світлодіод діоди Генрі Раунда Світлодіод випромінює світло при пропущенні через нього електричного струму. Світлодіоди застосовуються у пристроях індикації приладів, в електронних компонентах (оптронах), стільникових телефонах для підсвічування дисплея та клавіатури, потужні світлодіоди використовують як джерело світла у ліхтарях тощо. Світлодіоди бувають різного кольору світіння, RGB і т.д.
18
Останній слайд презентації: Діод
Інфрачервоний діод Інфрачервоні світлодіоди (скорочено ІЧ діоди) випромінюють світло в інфрачервоному діапазоні. Області застосування інфрачервоних світлодіодів – це оптичні контрольно-вимірювальні прилади, пристрої дистанційного керування, оптронні комутаційні пристрої, бездротові лінії зв'язку. Ік діоди позначаються як і і світлодіоди. Інфрачервоні діоди випромінюють світло поза видимим діапазоном, світіння ІЧ діода можна побачити і подивитися наприклад через камеру стільникового телефону, дані діоди так само застосовують у камерах відеоспостереження, особливо на вуличних камерахщоб у темний час доби було видно картинку. Фотодіод Фотодіод перетворює світло, що потрапило на його фоточутливу область, в електричний струм, знаходить застосування в перетворенні світла в електричний сигнал.
Матеріал презентації може бути використаний як заняття на уроках фізики, інформатики або електротехніки для пояснення роботи напівпровідників. Розглянуто класифікацію речовин за типом провідності. Дається пояснення власної та домішкової провідності. Пояснено робота p-n- Переходу. Діод та його властивості. Коротко дається поняття про транзисторів.
Завантажити:
Попередній перегляд:
Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com
Підписи до слайдів:
Презентація на тему: «Напівпровідники» Викладач: Виноградова Л.О.
Класифікація речовин по провідності Власна провідність напівпровідників Примісна провідність напівпровідників p – n перехід та його властивості Напівпровідниковий діод та його застосування Транзистори Електричний струм у різних середовищах Електричний струм у напівпровідниках
Класифікація речовин за провідністю Різні речовини мають різні електричні властивості, проте за електричною провідністю їх можна розділити на 3 основні групи: Електричні властивості речовин Провідники Напівпровідники Діелектрики Добре проводять електричний струм До них відносяться метали, електроліти, плазма … Найбільш використовуються провідники – Au, Ag, Cu, Al, Fe… Практично не проводять електричний струм До них відносяться пластмаси, гума, скло, фарфор, сухе дерево, папір… Займають по провідності проміжне положення між провідниками та діелектриками Si, Ge, Se, In, As
Класифікація речовин по провідності Пригадаємо, що провідність речовин обумовлена наявністю в них вільних заряджених частинок. Наприклад, у металах це вільні електрони - - - - - - - - - -
Власна провідність напівпровідників Розглянемо провідність напівпровідників на основі кремнію Si Si Si Si Si Si - - - - - - - - Кремній – 4 валентний хімічний елемент. Кожен атом має в зовнішньому електронному шарі по 4 електрони, які використовуються для утворення парноелектронних (ковалентних) зв'язків з 4 сусідніми атомами.
Власна провідність напівпровідників Розглянемо зміни в напівпровіднику при збільшенні температури Si Si Si Si Si - - - - - - + вільний електрон дірка + + При збільшенні температури енергія електронів збільшується і деякі з них залишають зв'язки, стаючи вільними електронами. На їх місці залишаються некомпенсовані електричні заряди (віртуальні заряджені частинки), які називаються дірками.
Власна провідність напівпровідників Таким чином, електричний струм у напівпровідниках є впорядкованим рухом вільних електронів і позитивних віртуальних частинок - дірок. До змісту
Власна провідність напівпровідників явно недостатня для технічного застосуваннянапівпровідників Тому для збільшення провідності в чисті напівпровідники впроваджують домішки (легують), які бувають донорні та акцепторні Такий напівпровідник називається напівпровідником n – типу, основними носіями заряду є електрони, а домішка миш'яку, що дає вільні електрони, називається донорною.
Акцепторні домішки Якщо кремній легувати тривалентним індієм, то освіти зв'язків із кремнієм в індія бракує одного електрона, тобто. утворюється дірка Si Si In Si Si - - - - - + Змінюючи концентрацію індію, можна в широких межах змінювати провідність кремнію, створюючи напівпровідник із заданими електричними властивостями. дірки, називається акцепторною - -
Отже, існує 2 типи напівпровідників, що мають велике практичне застосування: р - типу n - типу Основні носії заряду - дірки Основні носії заряду - електрони + - Крім основних носіїв у напівпровіднику існує дуже мало неосновних носіїв заряду (у напівпровіднику p – типу це електрони, а напівпровіднику n – типу це дірки), кількість яких зростає зі збільшенням температури До змісту
p – n перехід та її властивості Розглянемо електричний контакт двох напівпровідників p і n типу, званий p – n переходом + _ 1. Пряме включення + + + + - - - - Струм через p – n перехід здійснюється основними носіями заряду (дірки рухаються вправо , Електрони - вліво) Опір переходу мало, струм великий. Таке включення називається прямим, у прямому напрямку p – n перехід добре проводить електричний струм р n
p – n перехід та його властивості + _ 2. Зворотне включення + + + + - - - - Основні носії заряду не проходять через p – n перехід Опір переходу велике, струм практично відсутній Таке включення називається зворотним, у зворотному напрямку p – n перехід практично не проводить електричний струм р n Замикаючий шар До змісту
Напівпровідниковий діод та його застосування Напівпровідниковий діод – це p – n перехід, укладений у корпус Позначення напівпровідникового діода на схемах Вольт – амперна характеристика напівпровідникового діода (ВАХ) I (A) U (В)
Напівпровідниковий діод та його застосування Застосування напівпровідникових діодів Випрямлення змінного струму Детектування електричних сигналів Стабілізація струму та напруги Передача та прийом сигналів Інші застосування
До діода Після діода Після конденсатора Напівпровідниковий діод і його застосування Навантаженні Схема однонапівперіодного випрямляча
Напівпровідниковий діод та його застосування Схема двонапівперіодного випрямляча (мостова) вхід вихід + - ~
Транзистори p-n-pканал p- типу n-p-nканал n-типу Умовні скорочення: Е - емітер, К - колектор, Б - база. Транзистор був першим напівпровідниковим пристроєм, здатним виконувати такі функції вакуумного тріода (що складається з анода, катода та сітки), як посилення та модуляція. Транзистори витіснили електронні лампи та зробили революцію в електронній промисловості.
Щоб подивитися презентацію з картинками, оформленням та слайдами, скачайте її файл і відкрийте PowerPointна комп'ютері.
Текстовий вміст слайдів презентації:РОЗДІЛ 1. Напівпровідникові прилади Тема: Напівпровідникові діоди Автор: Баженова Лариса Михайлівна, викладач ДБПОУ Іркутської області «Ангарський політехнічний технікум», 2014 Зміст1. Пристрій, класифікація та основні параметри напівпровідникових діодів1.1. Класифікація та умовні позначення напівпровідникових діодів1.2. Конструкція напівпровідникових діодів1.3. Вольтамперна характеристика та основні параметри напівпровідникових діодів2. Випрямні діоди2.1. Загальна характеристикавипрямлювальних діодів2.2. Включення випрямних діодів у схемах випрямлячів 1.1. Класифікація діодівНапівпровідниковий діод називається напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом і двома зовнішніми висновками. 1.1. Маркування діодівМатеріал напівпровідникаТип діодаГрупа за параметрамиМодифікація у групіКС156АГД507БАД487ВГ (1) – германій; К (2) – кремній; А (3) – арсенід галію. Д – випрямляючі, ВЧ та імпульсні діоди; А – діоди НВЧ; C – стабілітрони; групам: Перша цифра для «Д»: 1 – Iпр< 0,3 A2 – Iпр = 0,3 A…10A3 – Iпр >0,3 A 1.1. Умовне графічне зображення діодів (УДО) а) Випрямляючі, високочастотні, НВЧ, імпульсні; б) стабілітрони; в) варикапи; г) тунельні діоди; д) діоди Шоттки; е) світлодіоди; ж) фотодіоди; з) випрямляючі блоки 1.2. Конструкція напівпровідникових діодів На базу накладається матеріал акцепторної домішки і у вакуумній печі при високій температурі (порядку 500 ° С) відбувається дифузія акцепторної домішки в базу діода, в результаті чого утворюється область p-типу провідності і p-n перехід великої площини. а висновок від n-області - катодом 1) Площинний діод Кристал напівпровідника Металева пластинка Основою площинних і точкових діодів є кристал напівпровідника n-типу провідності, який називається базою 1.2. Конструкція напівпровідникових діодів 2) Точковий діодК основі точкового діода підводять вольфрамовий дріт, легований атомами акцепторної домішки, і через неї пропускають імпульси струму силою до 1А. У точці розігріву атоми акцепторної домішки переходять у основу, утворюючи p-область Виходить p-n перехід дуже малої площі. За рахунок цього точкові діоди будуть високочастотними, але можуть працювати лише на малих прямих струмах (десятки міліампер). Мікроплавні діоди отримують шляхом сплавлення мікрокристалів напівпровідників p-і n-типу провідності. За своїм характером мікросплавні діоди будуть площинні, а за своїми параметрами – точкові. 1.3. Вольтамперна характеристика та основні параметри напівпровідникових діодів Вольтамперна характеристика реального діода проходить нижче, ніж у ідеального p-nпереходу: позначається вплив опору основи. 1.3. Основні параметри діодів Максимально допустимий прямий струм Iпр.max. Пряме падіння напруги на діоді при макс. прямому струмі Uпр.max. Максимально допустима зворотна напруга Uобр.max = ⅔ ∙ Uел.проб. Зворотний струм при макс. допустимому зворотному напрузі Iобр.max. Прямий і зворотний статичний опір діода при заданих прямому та зворотному напругах Rст.пр.=Uпр./ Iпр.; Rст.обр. = Uобр. / Iобр. Прямий і зворотний динамічний опір діода. Rд.пр. = ∆ Uпр. / ∆ Iпр 2. Випрямлювальні діоди2.1. Загальна характеристика. Випрямний діод називається напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний в силових ланцюгах, тобто в джерелах живлення. Випрямні діоди завжди площинні, вони можуть бути германієві або кремнієві. Якщо випрямлений струм більше максимально допустимого прямого струму діода, то цьому випадку допускається паралельне включення діодів. Додаткові опори Rд (1-50 Ом) для вирівнювання струмів у гілках). Якщо напруга в ланцюзі перевищує максимально допустиме Uобр. діода, то в цьому випадку допускається послідовне включення діодів. 2.2. Включення випрямних діодів у схемах випрямлячів 1) Однонапівперіодний випрямлячЯкщо взяти один діод, то струм у навантаженні протікатиме за одну половину періоду, тому такий випрямляч називається однонапівперіодним. Його недолік - малий ККД. 2) Двонапівперіодний випрямляч Мостова схема 3) Двонапівперіодний випрямляч з виведенням середньої точки вторинної обмотки трансформатора Якщо понижуючий трансформатор має середню точку (виведення від середини вторинної обмотки), то двонапівперіодний випрямляч може бути виконаний на двох діодах, включених паралель. Недоліками цього випрямляча є: - Необхідність застосування трансформатора з середньою точкою; Підвищені вимоги до діодів по зворотному напрузі. Завдання: Визначити, скільки одиночних діодів у схемі та скільки діодних мостів. Завдання1. Розшифруйте назви напівпровідникових приладів: 1 варіант: 2С733А, КВ102А, АЛ306Д2 варіант: КС405А, 3Л102А, ГД107Б З варіант: КУ202Г, КД202К, КС211Б 4 варіант: 2Д503А, К0: 2В117А; КВ123А2. Показати шлях струму на схемі: 1,3,5 вар.: На верхньому затиску «плюс» джерела. 2,4 вар.: На верхньому затиску «мінус» джерела.
Додані файли
Глава 2 Напівпровідникові діодиНапівпровідниковий
діод
представляє
собою
напівпровідниковий прилад з одним p-n переходом та двома
висновками. Більшість діодів виготовлені на основі
несиметричні p-n-переходи. При цьому одна з областей
діода, зазвичай (р+) високолегована і називається емітер,
інша
(n)
слаболегована
–
основа.
Р-n-перехід
розміщується в основі т.к вона слаболегована.
Структура, умовне позначення та назва висновків
показано на рис. 3.1. Між кожною зовнішньою областю
напівпровідника та її висновком є омічний контакт,
який на рис. 3.1 показаний жирною рисою.
Залежно від технології виготовлення розрізняють:
точкові діоди, сплавні та мікросплавні, з дифузійною
базою, епітаксійними та ін.
за
функціональному
призначенню
діоди
діляться:
випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони та
стабистори, варикапи, тунельні та звернені, а також НВЧдіоди та ін.
Класифікація діодів за функціональним призначенням та їх УГО
2.1. Вольт-амперна характеристика діода
ВАХ реального діода має низку відмінностей від ВАХ p-n-переходу (рис.3.2).При прямому зміщенні необхідно враховувати об'ємний опір
областей бази rб та емітера rе діода (рис.3.3.), зазвичай rб>>rе. Падіння
напруги на об'ємному опорі від струму діода, стають
істотним при струмах, що перевищують одиниці міліампер. Крім того,
частина напруги падає на опорі висновків. В результаті
напруга безпосередньо на р-n-переході буде меншою за напругу,
прикладеного до зовнішніх висновків діода Це призводить до зміщення прямої
гілки ВАХ вправо (крива 2) та майже лінійної залежності від прикладеного
напруги.
ВАХ діода з урахуванням об'ємного опору записується виразом
φU
I I 0 e T 1
Uφ Irб
I I 0 e T 1
де Uпр - напруга, прикладена до висновків; r - сумарний опір бази та
електродів діода, зазвичай r=rб.
При зворотному зміщенні діода струм діода не залишається постійним рівним I0
тобто. спостерігається зростання зворотного струму.
Це тим, що зворотний струм діода складається з трьох складових:
Iобр = I0 + Iтг + Iут
U φ Irб
T
I I0 e
1
де I0 – тепловий струм переходу;
Ітг - струм термогенерації. Він зростає із збільшенням зворотної напруги.
Це з тим, що p-n переходу розширюється, збільшується його обсяг і
отже збільшується кількість неосновних носіїв, що утворюються
у ньому рахунок термогенерації. Він на 4-5 порядку більший за струм I0.
Iут – струм витоку. Він пов'язаний кінцевою величиною провідності поверхні
кристала, з якого виготовлено діод. У сучасних діодах він завжди
менше термоструму.
Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковий діод – це електроперетворювальний напівпровідниковийприлад з одним електричним переходом та двома висновками, в якому використовуються
різні властивості р-n-переходу(одностороння провідність, електричний пробій,
тунельний ефект, ел. ємність).
Випрямний діод
Германієвий діод Кремнієвий діод
Стабілітрон
Варікап
Тунельний діод
Звернений діод
2.2. Еквівалентна схема діода
Це схема складається з електричних елементів, які враховуютьфізичні процеси, що відбуваються в p-n переході, та вплив
елементів конструкції електричні властивості.
Еквівалентна схема заміщення p-n переходу при малих
сигнали, коли можна не враховувати нелінійних властивостей діода
наведено на рис. .
Тут Сд - загальна ємність діода, що залежить від режиму; Rп = Rдіф
- диференціальний опір переходу, значення якого
визначають за допомогою статичної ВАХ діода у заданій робочій
точки (Rдиф = U / I | U = const); rб - розподілене електричне
опір бази діода, його електродів та висновків, Rут –
опір витоку.
Іноді схему заміщення доповнюють ємністю між висновками.
діода СВ, ємностями Свх і Свих (показані пунктиром) та
індуктивністю висновків LВ.
Еквівалентна схема при великих сигналах аналогічна
попередньої. Однак у ній враховуються нелінійні властивості р-nпереходу шляхом заміни диференціального опору на
джерело залежне джерело струму I = I0(eU/T – 1).
2.3. Вплив температури на ВАХ діода
I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,Температура навколишнього середовища істотно впливає на
вольтамперну характеристику діода Зі зміною температури кілька
змінюється хід як прямої, і зворотної гілки ВАХ.
При збільшенні температури зростає концентрація неосновних
носіїв у кристалі напівпровідника. Це призводить до зростання зворотного струму
переходу (за рахунок збільшення струму двох його складових: Iо та Iтг), а також
зменшення об'ємного опору області бази. При збільшенні
температури зворотний струм насичення збільшується приблизно в 2 рази у
германієвих та в 2,5 рази у кремнієвих діодів на кожні 10 °С. Залежність
зворотного струму від температури апроксимується виразом
I0(Т)=I(То)2(Т-То)/Т*,
де: I(Т0)-струм виміряний при температурі Т0; Т – поточна температура; Т*
- температура подвоєння зворотного струму - (5-6) 0С – для Ge та (9-10) 0С – для Si.
Максимально допустиме збільшення зворотного струму діода визначає
максимально допустиму температуру діода, яка становить 80-100 °С
для германієвих діодів і 150 - 200 ° С для кремнієвих.
Струм витоку слабо залежать від температури, але може суттєво
змінюватись у часі. Тому він, в основному, визначає тимчасову
нестабільність зворотної гілки ВАХ.
Пряма гілка ВАХ зі збільшенням температури зсувається вліво і
стає крутішою (рис. 3.3). Це пояснюється зростанням Iобр (3.2) та
зменшенням rб, останнє, зменшує падіння напруги на базі, а
напруга безпосередньо на переході зростає при незмінному напрузі
на зовнішніх висновках.
Для оцінки температурної нестабільності прямої гілки вводиться
температурний коефіцієнт напруги (ТКН) т= U/ T, що показує,
як зміниться пряма напруга на діоді зі зміною температури на
10С при фіксованому прямому струмі. В діапазоні температур від -60 до
+60"Т -2,3 мВ/°С.
2.4. Випрямлювальні діоди
Випрямлювальні діоди – призначені для випрямлення низькочастотного.змінного струму і зазвичай використовуються у джерелах живлення. Під випрямленням
розуміють перетворення двополярного струму в однополярний. Для випрямлення
використовується основна властивість діоди – їхня одностороння провідність.
Як випрямляючі діоди в джерелах живлення для випрямлення великих
струмів використовують площинні діоди. Вони мають велику площу контакту р і п областей
та велику бар'єрну ємність (ємнісний опір Xc=1/(ωC), що не дозволяє
випрямляти на високих частотах. Крім того, такі діоди мають велику величину.
зворотного струму.
Основними параметрами, що характеризують випрямні діоди,
є (рисунок 2.1):
- максимальний прямий струм Iпр max;
- падіння напруги на діоді при заданому значенні прямого струму Iпр (Uпр
0.3...0,7 для германієвих діодів і Uпр 0,8...1,2 -для кремнієвих);
- максимально допустима постійна зворотна напруга діода Uобр max;
- Зворотний струм Iобр при заданій зворотній напрузі Uобр (значення
зворотного струму германієвих діодів на два-три порядки більше, ніж у
кремнієвих);
- бар'єрна ємність діода при подачі на нього зворотної напруги
деякої величини;
- Fмах - діапазон частот, в якому можлива робота діода без суттєвого
зниження випрямленого струму;
- Робочий діапазон температур (германієві діоди працюють у діапазоні 60...+70°С, кремнієві - у діапазоні -60...+150°С, що пояснюється малими
зворотними струмами кремнієвих діодів).
Середня розсіювана потужність діода Рср Д – середня за період потужність
розсіюється діодом при протіканні струму у прямому та зворотному напрямку.
Перевищення максимально допустимих величин веде до різкого скорочення терміну
служби чи пробою діода.
Поліпшуючи умови охолодження (вентиляцією, застосуванням радіаторів) можна
збільшити потужність, що відводиться, і уникнути теплового пробою. Застосування радіаторів
дозволяє також збільшити прямий струм. Однофазний однонапівперіодний випрямляч
Однофазний двонапівперіодний
випрямляч із середньою точкою
Промисловістю
випускаються
кремнієві
випрямні діоди на струми до сотень ампер та зворотні
напруги до тисяч вольт. Якщо необхідно працювати при
зворотних напругах, що перевищують допустимі Uобр для
одного діода, то діоди з'єднують послідовно. Для
збільшення
випрямленого
струму
можна, можливо
застосовуватися
паралельне включення діодів.
1) Однонапівперіодний випрямляч. Трансформатор
служить зниження амплітуди змінного напруги.
Діод служить випрямлення змінного струму.
2) Двонапівперіодний випрямляч. Попередня схема
має суттєвий недолік. Він полягає в тому, що не
використовується частина енергії первинного джерела живлення
(Негативний напівперіод). Нестача усувається в
схемою двонапівперіодного випрямляча.
У перший позитивний (+) напівперіод струм
протікає так: +, VD3, RH↓, VD2, -.
У другій – негативний (-) так: +, VD4, RH↓, VD1,-.
В обох випадках він
через навантаження протікає в одному
напрямі ↓ - зверху вниз, тобто. відбувається випрямлення
струму.
Однофазний мостовий випрямляч
2.5. Імпульсні діоди
Імпульсні діоди - це діоди, які призначені для роботи в ключовому режимі в імпульсних схемах.таких схемах виконують роль електричних ключів. Електричний ключ має два стани:
1. Замкнене, коли його опір дорівнює нулю Rvd =0.
2. Розімкнене, коли його опір нескінченно Rvd=∞.
Цим вимогам задовольняють діоди залежно від полярності напруги. Вони мають мале
опір при усуненнях у прямому напрямку, і великий опір при зміщеннях у зворотному напрямку.
1. Важливим параметром діодів, що перемикають, є їх швидкодія перемикання. Чинниками,
що обмежують швидкість перемикання діода, є:
а) ємність діода.
б) швидкість дифузії та пов'язані з нею час накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду.
В імпульсних діодах висока швидкістьперемикання досягається зменшенням площі p-n-переходу, що знижує
величину ємності діода. Однак це зменшує величину максимального прямого струму діода (Iпрям.max.). Імпульсні
діоди характеризуються тими ж параметрами, що і випрямляючі, але мають так само і специфічні, пов'язані з
швидкодією перемикання. До них відносяться: Час встановлення прямої напруги на діоді (tуст): tуст. -
час, за який напруга на діоді при включенні прямого струму досягає свого стаціонарного значення з
заданою точністю. Цей час пов'язаний зі швидкістю дифузії полягає у зменшенням опору області бази
рахунок накопичення у ній неосновних носіїв заряду інжектованих емітером. Спочатку воно високо, т.к. мала
концентрація носіїв заряду. Після подачі прямої напруги концентрація неосновних носіїв заряду в базі
збільшується, це знижує прямий опір діода. Час відновлення зворотного опору діода
(tвост.): визначається як час, протягом якого зворотний струм діода після перемикання
полярності прикладеної напруги з прямої на зворотне досягає свого стаціонарного значення із заданою
точністю. Цей час пов'язаний із розсмоктуванням з бази неосновних носіїв заряду накопичених при перебігу
прямого струму. tсх. - Час, за який зворотний струм через діод при його перемиканні досягає свого
стаціонарного значення, із заданою точністю I0, зазвичай 10% від максимального зворотного струму. tвост. = t1. + t2. , де
t1. - час розсмоктування, за який концентрація неосновних носіїв заряду на межі р-п-переходу звертається до
нуль, t2. – час розряду дифузійної ємності, пов'язане розсмоктуванням неосновних зарядів обсягом бази діода. У
цілому час відновлення це час вимкнення діода, як ключа.
2.7. Стабілітрони та стабистори
Стабілітрон - це напівпровідниковий діод, виготовлений зі слабколегованого кремнію, який застосовується для стабілізації постійного
напруги. ВАХ стабілітрона при зворотному зміщенні має ділянку малої
залежності напруги від струму, що протікає через нього. Ця ділянка виникає за
рахунок електричного пробою (рис. 1.5).
Стабілітрон характеризується такими параметрами:
Номінальна напруга стабілізації Uст. ном - номінальна напруга
на стабілітроні в робочому режимі (при заданому струмі стабілізації);
номінальний струм стабілізації Iст.ном - струм через стабілітрон при
номінальній напрузі стабілізації;
мінімальний струм стабілізації Iст min - найменше значення струму
стабілізації, при якому режим пробою стійкий;
максимально допустимий струм стабілізації Iст max - найбільший струм
стабілізації, при якому нагрівання стабілітронів не виходить за допустимі межі.
Диференціальний опір
Rст-відношення збільшення напруги
стабілізації до викликає його збільшення струму стабілізації: Rст=
ТКН – температурний коефіцієнт напруги стабілізації:
ТКН
Uст / Iст.
U ст.ном.
100%
U ст.ном. T
- Відносна зміна напруги на стабілітроні приведена до одного
градусу.
Uст.ном.< 5В – при туннельном пробое.
Uст.ном. > 5В – при лавинному пробої.
До параметрів стабілітронів також відносять максимально допустимий прямий струм.
Imax, максимально допустимий імпульсний струм Iпр.і max, максимально допустиму
розсіювану потужність Р max. Параметричний стабілізатор напруги (рис.9). Він служить для забезпечення
сталості напруги на навантаженні (Uн) при зміні постійної напруги
живлення (Uпит) або опору навантаження (Rн).
Навантаження (споживач) включене паралельно стабілітрону. Обмежувальна
опір (Rогр) служить для встановлення та підтримання правильного режиму
стабілізації. Зазвичай Rогр розраховують для середньої точки ВАХ стабілітрона (рис.5).
Схема забезпечує стабілізацію напруги рахунок перерозподілу струмів IVD і
ІН
Проведемо аналіз роботи схеми.
За другим законом запишемо співвідношення: Uпіт = (IVD + IN) Rогр + Uн
Зміна напруги харчування на Uпіт, призводить до появи збільшення
Напрузі на навантаженні на Uн і струмів IVD = Uн / rст, IN = Uн / Rн. Запишемо
вихідне рівняння щодо прирощень:
Uпіт = (Uн/rст + Uн/ Rн) Rогр + Uн = Uн (1/rст + 1/Rн) Rогр + Uн.
Дозволимо його щодо Uн, отримаємо Uн = Uн/
Оскільки Rогр/rст велике, то Uн мало. Чим більше Rогр і менше rст тим менше
зміни вихідної напруги.
Розрахунок схеми (зазвичай задано Uпіт. і RН):
Вибір стабілітрона VD1 з умов:
та Iст.ном.> Iн.
2) Розрахунок
Рогр.
U вх. U ст.ном.
І ст.ном.
U ст.ном. U вих.
Різновиди стабілітронів:
1. Прецизійні. Вони мають мале значення ТКН і нормовану величину
Uст.ном. Мале ТКН досягається шляхом включення послідовно зі стабілітроном
(VD2), що має позитивний ТКН діоди (VD1) у прямому напрямку, ТКН якого
від'ємний. Оскільки загальний ТКН дорівнює їх сумі, то він виявляється малим за
величині.
2. Двоханодний стабілітрон. Він складається з двох стабілітронів включених
зустрічно-послідовно та застосовується для стабілізації амплітуди змінних
напруги.
Стабистори - це напівпровідникові діоди в яких для
стабілізації напруги використовується пряма гілка ВАХ. У таких
діодах база сильно легована домішками (rб→0), а тому їх пряма
гілка практично йде вертикально. Параметри стабістора аналогічні
параметрів стабілітрона. Вони застосовуються для стабілізації малих
напруг (Uст.ном. ≈0.6В).), струм стабісторів - від 1мА до декількох
десятків мА та негативний ТКН.
2.9. Тунельні та обернені діоди
На кордоні сильно легованих (вироджених) p-n структурз концентрацією домішкимає місце тунельний ефект. n 10 20 ел/см 3
Він проявляється в тому, що при прямому зміщенні на прямій гілки ВАХ з'являється
спадаючий ділянку АВ з негативним опору Rдиф = U / I | АВ = r-0.
Пунктиром на графіку показана ВАХ діода.
Це дозволяє використовувати такий діод в підсилювачах та електричних генераторах.
коливань в діапазоні НВЧ, а також імпульсних пристроях.
При зворотному зміщенні струм через тунельний пробой різко зростає при малих
напругах.
Основні параметри тунельного діода такі:
піковий струм і напруга піку Iп, Uп-струм та напруга в точці А;
струм і напруга западини ІВ - струм і напруга в точці;
відношення струмів Iп/Iв;
напруга піку - пряма напруга, що відповідає струму піку;
напруга розчину Up - пряма напруга, більша напруга западини, при
якому струм дорівнює піковому; індуктивність LД – повна послідовна індуктивність
діода за заданих умов; питома ємність Сд/Iп - ставлення ємності тунельного
діода до пікового струму; диференціальний опір гдіф - величина, обернена
крутості ВАХ; резонансна частота тунельного діода fо - розрахункова частота, при
якої загальний реактивний опір р-n-переходу та індуктивності корпусу
тунельного діода перетворюється на нуль; гранична резистивна частота fR - розрахункова
частота, при якій активна складова повного опору послідовна
ланцюга, що складається з р-n-переходу та опору втрат, перетворюється на нуль; шумова
постійна тунельного діода Кш – величина, що визначає коефіцієнт шуму діода;
опір втрат тунельного діода Rn - сумарний опір кристала,
контактних приєднань та висновків.
До максимально допустимих параметрів відносять максимально допустимий постійний
прямий струм тунельного діода Iпр max, максимально допустимий прямий імпульсний струм
Iпр.і max максимально допустимий постійний зворотний струм Iобр mах,
максимально допустиму потужність НВЧ Рсвч mах, що розсіюється діодом. Схема генератора гармонічних коливань на
ТД наведено на рис. . Призначення елементів: R1,
R2 – резистори, що задають робочу точку тунельного
діода на середині ділянки ВАХ із негативним
опором; Lk, Ck – коливальний контур; Сбл
ємність
блокувальна,
по
змінної
складовою вона включає тунельний діод
паралельно до коливального контуру.
Тунельний діод, включений паралельно
коливальному
контуру
компенсує
своїм
негативним
опором
опір
втрат коливального контуру, а тому коливання
у ньому можуть тривати нескінченно довго.
Звернені діоди є різновидом
тунельних діодів. У них концентрація домішок
трохи менше ніж у тунельних. За рахунок цього у
них
Відсутнє
ділянка
з
негативним
опором. На прямій гілки до напруг
0,3-0,4В
є
практично
горизонтальний
ділянку з малим прямим струмом (рис. .), на той час
як
струм
зворотній
гілки
починаючи
з
малих
напруг, за рахунок тунельного пробою, різко
зростає. У цих діодах, для малих змінних
сигналів,
пряму
гілка
можна, можливо
рахувати
не
провідною струм, а зворотну - провідною. Звідси і
назва цих діодів.
Обернені
діоди
використовуються
для
випрямлення НВЧ сигналів малих амплітуд (100300) мВ.
2.10. Маркування напівпровідникових діодів
Маркування складається із шести елементів, наприклад:КД217А
або К З 1 9 1 Е
123456
123456
1 - Буква або цифра, що вказує вид матеріалу, з якого виготовлений діод:
1 або Г - Ge (німецький); 2 або К - Si (кремній); 3 або А - GeAs.
2 - буква, що вказує тип діода за його функціональним призначенням:
Д – діод; С – стабілітрон, стабістор; В – варикап; І – тунельний діод; А –
НВЧ діоди.
3. Призначення та електричні властивості.
4 та - 5 вказують порядковий номер розробки або електричні властивості
(у стабілітронах – це напруга стабілізації; у діодах – порядковий
номер).
6. - Літера, вказує поділ діодів по параметричним групам (в
випрямних діодах – розподіл за параметром Uобр.max, у стабілітронах
поділ за ТКН).
Дисципліна: Електротехніка та електроніка
Лектор: Погодін Дмитро ВадимовичКандидат технічних наук,
доцент кафедри РІІТ
(кафедра Радіоелектроніки та
інформаційно-вимірювальної
техніки)
електротехніка та електроніка
