Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1]По конструкции: плоскостные, точечные, микросплавные диоды.

2]По мощности: маломощные для получения выпрямленного тока не более 0,3А, средней мощности с токами 0,3-10Аи мощныес током больше 10А..

3]По частоте: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ.

4]По функциональному назначению: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, тоннельные диоды и так далее.

По старому ГОСТу все диоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике.

Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:

I- материал полупроводника: Г(1)-германий; К(2)-кремний; А(3)-арсенид галлия.

II – тип полупроводникового диода: Д -выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три последующие цифры характе­ризуют тип или область применения: 101-399 - для выпрямления пере­менного тока (101-199 - при токе до 0,3А,

201-299 - при токе от 0,3 до 10А, 301-399 при токе более 10А);

401 - 499- для работы в высокочастотных и сверхвысокочастотных цепях;

501-599- для работы в импульсных схемах; 601-699- для работы в качестве конденсаторов с регулируемой ем­костью (варикапы).

IV- последняя буква указывает на некоторые кон­структивные или другие особенности диода (разновидность при­бора)

Рис.1.10.Условные обозначе­ния полупроводнико- вых диодов: 1-выпрямительный диод, 2-свч-диод, 3- варикап,4- ста­билитрон, 5-туннельный диод.

Например, маркировка КС196В расшифровывается следующим образом: кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В.

1.3.1.Выпрямительные диоды. Выпрямительными или силовыми диодами называются электронные приборы, предназначенные для выпрямления переменного тока. Это плоскостные двухэлектродные приборы на кремниевой или германиевой основе, работа которых основана на вентильных свойствах электронно-дырочного перехода.

Т.к. выпрямительные диоды имеют большую емкость в несколько десятков пикофарад и большое время восстановления обратного сопротивления, то их практическое применение ограничивается максимальной частотой в 100 кГц.

В качестве исходного материала при производстве используют германий или кремний с электропроводностью п- типа, т.к. подвижность электронов в 2-2,5 раза больше подвижности дырок. Сам р-n -переход изготавливают методом сплавления или диффузии. В процессе сплавления в германий вплавляют индий, а в кремний – алюминий или бор. При диффузионном методе нужные акцепторные примеси вводят в кристалл диффузией из газовой среды. Исходный кристалл образует базовую область диода(катод), а примесь(индий, алюминий или бор) – эмиттерную область(анод). Базовую область припаивают к кристаллодержателю. Для лучшего теплоотвода в диодах средней и большой мощности применяют радиаторы, а диодах с током более 10А применяют принудительное воздушное или водяное охлаждение.

Выпрямительные кремниевые или германиевые плоскостные диоды характеризуются следующими параметрами:

1.Прямой ток I _пр, протекающий при прямом напряжении;

2.Прямое напряжение U _пр – падение напряжения на диоде;

3.Максимальный обратный ток I _обрmax-ток неосновн. носителей, протекаю- щий через диод при обратном напряжении, близком к напряжению эл.пробоя;

4.Максимальное обратное напряжение U _обрmax - падение напряжения на диоде при величине обратного тока, при котором еще не нарушается нормальная работа диода. Предельным обратным напряжением является напряжение, при котором происходит эл.пробой. Кремниевые диоды имеют большее обратное напряжение порядка 1000-1500В, а германиевые – 100-400В.

5.Прямое сопротивление диода r _пр- сопротивление диода постоянному току. Определяется сопротивлением р-n -перехода при прямом его включении (единицы Ом) r _пр = U _пр/ I _пр;

6.Обратное сопротивление диода r _обр сопротивление р-n -перехода при обратном его включении(сотни кОм) r _обр= U _обр/ I _обр;

7.Допустимая рабочая температура – максимальная температура, допускающая продолжительную работу диода. Интервал допустимых температур у германиевых диодов от -60 до +70⁰ С, у кремниевых – от -60 до +150⁰ С;

8.Собственная емкость диода – определяется суммой конструктивной и барьерной емкостей, шунтирует р-n -переход диода, сокращая тем самым диапазон его рабочих частот.

Рис.1.11.Последовательное (а) и параллельное (б)

соединение диодов.

При разработке выпрямительных схем иногда нужно соединить диоды последовательно (рис.1.11а). Однотипные диоды обладают большим разбросом обратных сопротивлений и пробивных напряжений. Диод, имеющий большее обратное сопротивление, может оказаться под напряжением, большим максимально допустимого и пробьется. Выход из строя одного приведет к пробою остальных. Для выравнивания напряжений каждый диод шунтируется резистором, причем их сопротивление R _ш должно быть меньше обратного сопротивления диодов.

Параллельное соединение диодов применяют, если нужно получить прямой ток, больший допустимого тока диодов (рис.1.11б).Для выравнивания токов в схему последовательно диодам включают уравнивающие резисторы R ₀. Чем больше сопротивление R ₀, тем меньше отличаются токи в ветвях. Промышленностью выпускаются выпрямительные столбы на разные токи и напряжения из 5-50 подобранных однотипных диодов. Для удобства схемных соединений диоды включаются отдельными ветвями (рис.1.12).

Рис.1.12.Выпрямительный

столб.

1.3.2. Стабилитроны и стабисторы. Стабилитронами на­зываются плоскостные кремниевые диоды, у которых в обратной ветви их вольт-амперной характеристики или ВАХ (рис. 1.13,б) имеется участок с большой крутизной, в пределах которого напряжение незначительно изменяет свою величину при изменении протекаю­щего тока.

Рис.1.13.Условное обозначение (а) и вольтамперная характеристика (б) стабилитрона.

Работа стабилитрона в пределах данного участка ВАХ, называемого рабо­чим участком позволяет использовать его не только в стабилизаторах напряжения, но также и в различных электронных схемах, например в схемах ампли­тудного ограничения и для создания опорных (эта­лонных) напряжений.

Рабочий участок ВАХ стабилитрона обусловливается пробоем его р-п -пере­хода. Механизм пробоя в стабилитронах в зависи­мости от их назначения может быть туннельным, лавинным или смешанным. У стабилитронов с рабочим напряжением до 3—4 В происходит тун­нельный пробой, а с рабочим напряжением бо­лее 7 В возникает лавинный пробой. В области от 3 до 7В пробой обусловливается совмест­ным воздействием туннельного и лавинного меха­низмов. Для получения лавинного пробоя ширина р-п- пе­рехода должна быть больше длины свободного пробега неосновных носителей заряда. Это условие выполняется в кремниевых диодах, поскольку подвижность носителей в кремние меньше, чем в германие.

Напряжение лавин­ного пробоя зависит от удельного сопротивле­ния кремния. С ростом удельного сопротивления напряжение лавинного пробоя увеличивается. Под­бором удельного сопротивления можно создать стабили-троны на нужную величину напряжения ста­билизации.

Выбор кремния обусловлен тем, что у него в отличие от германия малый обратный ток в предпробной области, кроме того, ВАХ имеет резкий излом в области пробоя. Кремниевые диоды вы­держивают большие обратные напряжения, чем гер­маниевые.

Основными параметрами стабилитрона являются:

1.Напряжение стабилизации U _ст—падение на­пряжения на стабилитроне при протекании задан­ного тока определяется значением номинального тока стабилизации. Т.к. ра­бочий участок ВАХ име­ет наклон, то напряжение стабилизации отличается от напряжения пробоя р-n -перехода и определяется значением номинального то­ка стабилизации I _ст (т. А на рис. 1.13,б).

2.Номинальный ток стабилизации I _ст—значение тока, протекающего через стабилитрон, определяю­щее напряжение стабилизации.

3.Минимально допустимый ток стабилизации I _стmin— ток, при котором обеспечивается надежное возникновение пробоя р-n -перехода. Минимально допустимый ток колеблется в пределах 1 —3 мА.

4.Максимально допустимый ток стабилизации I _{ст max}- ток, при котором мощность рассеяния на стабилитроне не превышает максимально допусти­мую мощность стабилитрона. Максимально допус­тимый ток в зависимости от типа стабилитрона лежит в пределах от 20 мА до 1,5 А.

5.Дифференциальное или динамическое сопротивление r _ст - величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвав-шему его малому приращению r _ст = Δ U _ст / Δ I _ст.

6.Температурный коэффициент напряжения ста­билизации—величина, определяемая отношением относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации напря­жения. Температурный коэффициент напряжения стаби­лизации выражается в % / град и определяется зависимостью

Температурный коэффициент напряжения стаби­лизации при туннельном пробое отрицательный, т.к. напряжение туннельного пробоя определяется шириной запрещенной зоны. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем меньше напряжение туннельного пробоя. С ростом температуры ширина зоны уменьшается и уменьшает напряжение пробоя. При лавинном пробое температурный коэффи­циент напряжения стабилизации положительный, т.к. с повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, то напряжение пробоя увеличивается.

7.Максимально допустимая рассеиваемая мощ­ность стабилитрона Р_стmaх-это мощность, при которой обеспечивается надежность работы стабилитрона. Максимально допустимая мощность колеблется от 250 мВт до 50Вт.

Рис.1.14.Простейшая схема стабилизации напряжения постоянного тока.

В положительный полу- период входного напряжения стабилитрон VD1 открыт, а стабилитрон VD2выходное напряжение уменьшает по амплитуде до уровня напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод выходное напряжение ограничено по амплитуде на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Т.о., выходное напряжение–это переменное напряжение трапецеидальной формы, с амплитудой равной напряжению стабилизации применяемых стабилитронов и не зависит от амплитуды входного напряжения.

Стабилизацию пост. напряжения получают с помощью диода, включенного в прямом направлении - стабистора. Для изго­товления стабисторов применяют кремний с большей концентрацией примесей. В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (≈0,7В). Параметры стабисторов аналогичны стабилитронам, а их максимальный ток, мощность и тепловые характеристики те же, что и у выпрямительных диодов.

1.3.3. Варикапы.Варикап - это полупроводниковый диод, который способен изменять свою ёмкость в зависимости от приложенного обратного напряжения. Варикапы предназначены для применения в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью. Варикапы используются, в основном, в радиоприёмных узлах телевизоров, приёмников и радиотелефонов для настройки на частоту передатчика. Раньше в таких узлах применялись воздушные переменные конденсаторы, которые имели большие габариты и массу, а также другие недостатки. Применение варикапов позволило в разы уменьшить габариты и массу радиоприёмной аппаратуры. Внешний вид варикапов (примеры) показан на рис. 1.15. Слово «варикап» составлено из двух английских слов — to vary — изменяться и capacitance — емкость.

Рис. 1.15. Варикапы.

Значит, варикап — это прибор, емкостью которого можно управлять при помощи какого-либо внешнего воздействия. Основной элемент варикапа — это р—n -переход. Подключим к р—n -переходу источник постоянного напряжения так, чтобы «+» источника был подсоединен к п -области. При этом п -область становится более положительной по отношению к р -области, чем в случае равновесия р—n -перехода и напряженность эл. поля в обедненном слое увеличивается. Для увеличения напряженности эл. поля нужно увеличить количество «оголенных» донорных и акцепторных ионов.

Увеличение числа нескомпенсированных ионов может произойти только за счет расширения границ обедненного слоя!
Т.о., изменяя приложенное к р—n -переходу напряжение, мы как бы раздвигаем или сдвигаем границы обедненного слоя. В это же время внутри слоя увеличи- вается или уменьшается избыточный ионный заряд.

Рассмотрим зависимость емкости р—n -перехода от приложенного напря- жения. Для обычного плоского конденсатора с воздушным диэлектриком заряд, накапливаемый на пластинах, прямо пропорционален внешнему напряжению. В то же время р—n -переход можно уподобить плоскому конденсатору, пластины которого с ростом напряжения автоматически раздвигаются на некоторое расстояние. Но, как известно, емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Следовательно, емкость р-n -перехода также должна изменяться обратно пропорцинально растущему напряжению.

Рис.1.16. Зависимость между емкостью р-n -перехода и напряжением или вольт-фарадная характеристика варикапа.

Вольт-фарадная характеристика варикапа – это основная характеристика данного прибора. При другой полярности приложенного напряжения, когда р -область положительна по отношению к n -области, через переход протекает большой ток основных носителей заряда. В этом случае р—n -переход похож на конденсатор с очень плохой изоляцией между пластинами и не пригоден в качестве варикапа. Впрочем, и при правильном подключении варикапа через переход протекает ток неосновных носителей заряда, что несвойственно обычным конденсаторам. Но сила тока, как уже упоминалось, мала и почти не влияет на работу варикапа в эл. схемах. По применению варикап может заменить громоздкие воздушные переменные конденсаторы с взаимно перемещающимися наборами плоских металлических пластин. Это позволяет, например, осуществить настройку эл. контуров в транзисторных радиоприемниках. Достаточно присоединить параллельно катушке индуктивности варикап таким образом, чтобы можно было подключить к его контактам постоянное регулируемое напряжение, не нарушая при этом работы эл. контура.

Основные параметры варикапов:
U _ОБР – заданное обратное напряжение
С _В – номинальная ёмкость, при заданном обратном напряжении U _ОБР
К _С – коэффициент перекрытия ёмкости, который определяется отношением ёмкостей варикапа при двух значениях обратного напряжения
U _{ОБР.МАКС} – максимально допустимое обратное напряжение
Q _B – добротность, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.
Рис. 1.17. Типовая схема включения варикапа в колебательный контур

На этой схеме на R 2 подаётся стабилизирован- ное напряжение Uпит. Напряжение управления варикапом U упр формируется с помощью переменного резистора R 2. Изменяя напряжение управления U упр с помощью резистора R 2, мы изменяем ёмкость варикапа. Это, в свою очередь, приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.

1.3.4. Высокочастотные диоды. Под этим названием объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочас- тотных сигналов, а именно:

- детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастот­ного сигнала из модулированного колебания;

- смесительные диоды, используемые для изменения несущей час­тоты модулированного колебания;

- модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочас­тотного колебания, и др.

Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах. Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивле- ниями электронно-дырочного перехода (R п), р - и n -областей полу­проводника (r _б), то при работе диода на высоких частотах боль­шую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного соп­ротивления r ₆ свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низ­ких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает. Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшить его емкость С _д и соп­ротивление базы r _б (см. рисунок).

Для уменьшения емкости р-n -перехода в высокочастотных диодах часто применяют точечную конструкцию (рис. а). Монокристалл германия или кремния n -типа является базой диода. База припаяна к выводу свинцово-оловянным припоем, обеспечивающим омический контакт. С другой стороны к базе прижата вольфрамовая игла, имею­щая диаметр острия не более 20—30 мкм. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (порядка десятых долей пикофарада). Электродная система для защиты от воздействия окружающей среды заключена в герметичный стеклян­ный корпус. Контакт вольфрамовой иглы с поверхностью полупроводника обла­дает выпрямительными свойствами, однако для создания стабильного выпрямляющего контакта, имеющего более высокое пробивное напря­жение, диод обычно подвергают электроформовке путем кратковремен­ного (1/4 с) пропускания мощного импульса тока. Вследствие сильного локального разогрева приконтактной области, приводящего к частич­ному расплавлению кристалла и конца иглы, возникает диффузия примесей в кристалл и под острием иглы после резкого охлаждения образуется небольшая по объему р -область, возникает р-n -переход (рис. б). Для повышения прямой проводимости диода на конец иглы перед формовкой иногда наносят акцепторную примесь (индий или алюминий), при этом концентрация акцепторов в р -области дости­гает 10¹⁷ см^-3, а прямая проводимость— 100мА/В. Из упомянутых ма­териалов лучшие результаты, сточки зрения высокочастотных свойств, дает алюминий, позволяющий получить меньший радиус р-n -перехода.

Предельная частота точечных диодов благодаря малой емкости перехода составляет 300—600 МГц. Изготовляют также диоды на час­тоты порядка десятков гигагерц. У них емкость перехода еще меньше, что достигается специальной заточкой иглы с использованием прижим­ного контакта без электроформовки. Предусмотрено максимальное уменьшение индуктивности выводов. Однако допустимое обратное напряжение у таких диодов не превышает 3—5 В; низкой получается допустимая мощность рассеяния.

Особенностью вольт-амперной характеристики точечного диода является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви, плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода.

Для точечных диодов характерен большой разброс по обратному току и прямой проводимости. Параметры подвержены заметному из­менению в процессе хранения и эксплуатации. Для частичной стаби­лизации диоды в процессе изготовления подвергают искусственному старению.

На высоких частотах применяют также так называемые микро­сплавные диоды, имеющие малую площадь перехода. Диоды с микро­сплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей ста­бильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предель­ные частоты ниже, чем у точечных диодов. К этому типу приборов отно­сится диод Д223.

Поиск по сайту: