Semiconductor diodes

1. ЭЛЕКТРОНИКА
Лекция 3

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ДИОДЫ
Тема:

3. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод ̶ это полупроводниковый прибор с одним
выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором
используется то или иное свойство выпрямляющего электрического
перехода.
Общие сведения о диодах
Структуры полупроводниковых диодов
а) с выпрямляющим р-n-переходом; б) с выпрямляющим переходом на контакте
«металл-полупроводник»; Н ̶ невыпрямляющий электрический (омический) переход;
В ̶ выпрямляющий электрический переход; М ̶ металл.

4. Классификация диодов
Признак классификации Наименование диода
Площадь перехода Плоскостной, точечный
Полупроводниковый диод Германиевый, кремниевый, арсенид
галлиевый
Назначение Выпрямительный, импульсный,
стабилитрон, варикап и т.д.
Принцип действия Туннельный, диод Шоттки, фотодиод и
т.д.

5. Плоскостные диоды
В зависимости от геометрических размеров p-n-перехода диоды
подразделяют на плоскостные и точечные.
Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры,
определяющие площадь p-n- перехода, значительно больше его ширины. У
таких диодов площадь p-n-перехода может составлять от долей квадратного
миллиметра до десятков квадратных сантиметров.
Структура плоскостного диода, изготовленного методом сплавления

6. Точечные диоды
Точечные диоды имеют очень малую площадь p—n- перехода,
причем линейные размеры ее меньше толщины pn-перехода

7. Выпрямительные диоды
Выпрямительный диод - это полупроводниковый диод, предназначен-
ный для преобразования переменного тока в постоянный.
Выпрямительные диоды, дискретное исполнение (а),
диодные мосты (б) и конструкция одного из маломощных диодов (в)

8. Мощные выпрямительные диоды:
а – дискретное исполнение; б – диодный силовой
модуль; в – конструкция одного из диодов.

9. Вольт-амперная характеристика выпрямительного
диода

10. 1. Номинальный средний прямой ток Iпр ср ном – среднее значение тока,
проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при
номинальных условиях охлаждения.
2. Номинальное среднее прямое напряжение Uпр ср ном – среднее значение
прямого напряжения на диоде при протекании номинального среднего прямого
тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной
работы нескольких диодов в одной электрической цепи.
3. Напряжение отсечки UO, определяемое точкой пересечения линейного
участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.
4. Пробивное напряжение Uпроб – обратное напряжение на диоде,
соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике,
когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.
5. Номинальное обратное напряжение Uобр ном – рабочее обратное
напряжение на диоде. Этот параметр используется для обеспечения
последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.
6. Номинальное значение обратного тока Iобр ном – величина обратного тока
диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.
7. Статическое сопротивление диода:
Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление
постоянному току.
Статические параметры выпрямительных диодов

11. Динамические параметры выпрямительных диодов
1) Динамическое (дифференциальное) сопротивление Rдин:
Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов
при обратном включении диода, например, в стабилитронах. Там динамическое
сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного
напряжения.
2) Скорость нарастания прямого тока . Этот параметр является очень
важным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстрое
нарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих ёмкостный характер).
3) Скорость нарастания обратного напряжения .

12. Способ уменьшения скорости нарастания прямого тока
Скорость нарастания прямого тока

13. Способ уменьшения скорости нарастания обратного
напряжения
Скорость нарастания обратного напряжения

14. Особенности вольт-амперных характеристик
выпрямительных диодов
Вольт-амперная характеристика кремниевого выпрямительного диода
при различной температуре окружающей среды
При увеличении температуры для
кремниевых диодов характерно:
- уменьшение прямого напряжения;
- увеличение пробивного напряжения;
- отсутствие обратного тока насыщения.

15. Особенности вольт-амперных характеристик
выпрямительных диодов
Вольт-амперная характеристика германиевого выпрямительного диода
при различной температуре окружающей среды
При увеличении температуры для
германиевых диодов характерно:
- уменьшение прямого напряжения;
- уменьшение пробивного напряжения;
- существование обратного тока насыщения.

16. Импульсные диоды
Импульсный диод - это полупроводниковый диод, имеющий малую
длительность переходных процессов и предназначенный для применения в
импульсных режимах работы.
Импульсные режимы - это такие режимы, когда диоды переключаются
с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени,
порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь
переходные процессы.
Основное назначение импульсных диодов - работа в качестве
коммутирующих элементов.
Конструкция импульсного диода:
1 ̶ кристалл полупроводника;
2 ̶ кристаллодержатель;
3 ̶ припой;
4 ̶ контактная пружина;
5 ̶ стеклянный корпус;
6 ̶ коваровая трубка;
7 ̶ внешние выводы.

17. Переходные процессы в импульсном диоде

18. Туннельные диоды
Туннельный диод ̶ это полупроводниковый диод на основе
вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к
появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении
участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Туннельный диод 1И104:
а ̶ вольт-амперная характеристика при прямом смещении;
б ̶ конструктивное исполнение;
в ̶ условное графическое обозначение туннельного диода.

19. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие особенности ВАХ
туннельного диода

20. Обращенные диоды
Обращенный диод ̶ это разновидность туннельного диода, у которого
концентрация примесей подобрана таким образом, что в уравновешенном
состоянии при отсутствии внешнего напряжения потолок валентной зоны
материала р-типа совпадает с дном зоны проводимости материала n-типа.
Зонная энергетическая диаграмма (а) и ВАХ
(б) типичного обращенного диода
Условное обозначение
обращенного диода

21. Диоды Шоттки
Потенциальный барьер, полученный на основе контакта «металл -
полупроводник», часто называют барьером Шоттки, а диоды,
использующие такой потенциальный барьер, ̶ диодами Шоттки.
Для возникновения барьера, необходимо ,чтобы работы выхода
электронов из металла Ам и полупроводника Ап были разными.
Возникающая при этом контактная разность потенциалов равна:
Uк = (Ам - Ап)/е
где е - заряд электрона

22. Барьер Шоттки

23. Диоды Шоттки
Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при
прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник
в качестве барьера Шоттки вместо p-n перехода, как у обычных диодов.
Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов
ограничено 250В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в
низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких
десятков вольт.
Условное обозначение диода Шоттки
Структура детекторного Шотки диода :
1 — полупроводниковая подложка;
2 — эпитаксиальная плёнка;
3 — контакт металл — полупроводник;
4 — металлическая плёнка;
5 — внешний контакт

24. Варикапы
Варикап - это полупроводниковый диод, в котором используется
зависимость барьерной ёмкости р-п-перехода от обратного напряжения.
Варикапы: а ̶ ВАХ; б ̶ конструкции; в ̶ условное графическое обозначение

25. Стабилитроны
Стабилитрон ̶ это полупроводниковый прибор, напряжение на котором
в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от
тока в заданном диапазоне и который предназначен для стабилизации
напряжения.
Стабилитроны: а – конструкция; б – ВАХ; в - УГО

26. Основные параметры стабилитронов
1) Напряжение стабилизации UCT - напряжение на стабилитроне при протекании
через него тока стабилизации;
2) Ток стабилизации ICT - значение постоянного тока, протекающего через
стабилитрон в режиме стабилизации;
3) Дифференциальное сопротивление стабилитрона rCT - дифференциальное
сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т.е.
4) Температурный коэффициент напряжения стабилизации аст - отношение
относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному
изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока
стабилизации:

27. Температурная зависимость ВАХ стабилитрона
Термокомпенсация стабилитрона
n – количество диодов

28. Стабисторы
Стабистор – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в
области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне
и который предназначен для стабилизации напряжения.
ВАХ стабистора

29. Применение полупроводниковых диодов
Выпрямителями называются устройства, преобразующие электрическую
энергию переменного тока в энергию постоянного тока.
Структурная схема выпрямителя
Силовой трансформатор - преобразует переменное питающее напряжение
(необходимое напряжение, гальваническая развязка).
Вентиль - обладает односторонней проводимостью и обеспечивает
преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного
направления).
Сглаживающий фильтр - преобразует выпрямленный ток в ток близкий по
форме к постоянному току.
Нагрузка - активная, активно-индуктивная, активно-емкостная, противоЭДС.

30. Однофазный однополупериодный выпрямитель

31. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со
средней точкой

32. Однофазная мостовая схема

33. Стабилизация напряжения

34. Условные графические обозначения диодов

35. Цветовая маркировка диодов по европейской
системе PRO ELECTRON