Однопереходные ППП. Вольт-амперные характеристики (ВАХ).

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

(от др.-греч. ди — два и –од – путь)

Выпрямительный диод.

 

 

Выпрямительный диод служит для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки - Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

).

 

Область p-типа диода является анодом, а область n-типа — катодом.

Вольт-амперная выпрямительного диода:

 

Если к диоду подключить источник питания так, чтобы вывод положительного полюса был соединен с анодом, а вывод отрицательного полюса с катодом диода (рис а), тогда в образовавшейся электрической цепи появится ток, о чем будет сигнализировать загоревшаяся лампа. Такое состояние диода называют открытым, ток, текущий через него,— прямым током Iпр, а поданное на него напряжение, благодаря которому диод оказался в открытом состоянии,— прямым напряжением Uпр.

Если полюсы источника питания поменять местами, как показано на рис. б, то лампа не загорится, так как в этом случае диод находится в закрытом состоянии и оказывает току в цепи большое сопротивление. Небольшой ток через p-n переход диода в обратном направлении все же пойдет, но по сравнению с прямым током будет столь незначительным, что нить накала лампы даже не среагирует. Такой ток называют обратным током Iобр, а напряжение, создающее его,— обратным напряжением Uобр.

 

Важными параметрами, характеризующими свойства диода, являются статическое и дифференциальное сопротивление p-n-перехода.

 

Если к нелинейному элементу приложить постоянные напряжения, то он будет характеризоваться статическими параметрами.

Для диода статическое сопротивление определяется просто как отношение приложенного напряжения к соответствующему току.

 

.

 

Дифференциальное сопротивление равно отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

.

 

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ДИОДОВ

- Стабилитроны (диод Зенера).

 

Предназначен для стабилизации напряжения источника питания.

Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток.

 

 

Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при про-текании через него тока стабилизации;

Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации;

Температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации:

- Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

- Туннельные диоды

 

Применяются как усилители, генераторы.

Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике.

Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей, вследствие чего получается малая толщина p-n-перехода, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.

Параметрами туннельных диодов являются:

Пиковый ток I_п – значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;

Ток впадины I_в – значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;

Отношение токов I_п/ I_в – (для туннельных диодов из отношение, для германиевых);

Напряжение пика – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;

Напряжение впадины – значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;

Напряжение раствора – значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.

 

- Варикап

Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости. Это обратносмещенный полупроводниковый диод. Запертый p-n-переход варикапа обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от обратного напряжения.

Основные параметры варикапов:

Номинальная ёмкость – ёмкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении;

Добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной ёмкости или обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по ёмкости – отношение максимальной ёмкости варикапа к его минимальной ёмкости при двух заданных значениях обратного напряжения.

Температурный коэффициент ёмкости – относительное изменение ёмкости варикапа, приходящееся на один градус изменения температуры окружающей среды.

- Светодиоды (диоды Генри Раунда).

 

 

Используются для индикации. В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор - и в УФ.

 

- Полупроводниковые лазеры.

 

По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.

- Фотодиод.

 

Используется в оптоэлектронике. Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n-переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта.

Фотодиод можно использовать в двух различных включениях: фотодиодном и фотогальваническом.

Фотогальваническое включение предполагает использование фотодиода как источника фотоЭДС, поэтому в настоящее время его называют полупроводниковый фотоэлемент.

 

 

При фотодиодном включении фотодиод работает с внешним источником U, который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС E_Ф, которая по отношению к источнику U включена последовательно и согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф.

 

 

- Солнечный элемент

Это источник фотоЭДС. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

Каждый элемент производит немного энергии, поэтому для обеспечения электроснабжения в достаточном объеме необходимы батареи таких соединенных друг с другом элементов. Элемент состоит из тонкого слоя полупроводникового материала, обычно кремния. В некоторых солнечных элементах применяют другой полупроводник - арсенид галлия. Они менее эффективны, чем кремниевые, но могут работать при гораздо более высоких температурах.

 

- Диоды Ганна.

 

Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

 

Кроме вышеперечисленных элементов, нашли применение:

- Лавинно-пролётный диод. основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ.

- Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

- Смесительный диод — предназначен для перемножения 2-ух высокочастотных сигналов.

- pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.