Электроника_Книга (Электроника), страница 3

Она обусловлена «эстафетным» перемещением электронов по вакансиям от одного атома к другому.При приложении внешнего напряжения UА к р-полупроводникуон ведет себя как обычный резистор с сопротивлением, несколькобольшим сопротивления проводников. Дырки рП и рС движутся к «–»полюсу, а электроны nС — к «+» полюсу источника напряжения.1.3 Электронно-дырочный p–n переход.Выпрямительные свойства p–n переходаПо отдельности р- и n-полупроводники не представляют практического интереса и ведут себя как обычные резисторы.

Если же соединить полупроводник р-типа и полупроводник n-типа между собой, тополученный прибор будет обладать выпрямительными свойствами,то есть пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Такое соединение называют p–n переходом, а сами полупроводники с различными проводимостями — р- и n-областями.1.3.1 Физические процессы в p–n переходе при отсутствиивнешнего напряженияПри отсутствии внешнего напряжения (рисунок 1.5, а) в силу хаотичного перемещения электронов из n-области (кружочки с «–» нарисунке 1.5, а), где они являются основными носителями, переходятв p-область.

Там они заполняют дырки (кружочки с «+» на рисунке1.5, а), которые в p-области являются основными носителями.Нейтральные атомы в n-области, которых покинули электроны,становятся неподвижными положительными ионами (квадратикис «+» на рисунке 1.5, а). Нейтральные атомы в р-области, в которыхэлектроны заполнили дырки, превращаются в неподвижные отрицательные ионы (квадратики с «–» на рисунке 1.5, а). Благодаря этомуна границе p–n перехода со стороны n-области начинает накапливаться положительный электрический заряд, а со стороны р-области —отрицательный. Таким образом, между р- и n-областями создаетсяразность потенциалов Up–n, которая возрастает по мере увеличениячисла электронов, перешедших из n-области в р-область.12Эти процессы происходят до тех пор, пока разность потенциалов Up–n не достигнет величины 0,5 … 1,5 В.

Такое напряжение будет препятствовать дальнейшему переходу электронов, и их движение прекратиться (рисунок 1.5, а). Таким образом, в пограничнойобласти создается потенциальный барьер или, как говорят, запирающий слой. Потенциальная диаграмма (распределение напряжения) p–n перехода при отсутствии внешнего напряжения приведена на рисунке 1.5, г.агбвдеРисунок 1.5 — Работа p–n перехода при отсутствиивнешнего напряжения (a, г), при прямом (б, д) и обратном (в, е)включении внешнего напряжения1.3.2 Работа p–n перехода при прямом включении внешнегонапряженияЕсли «+» внешнего источника подключить к p-области, а «–»к n–области, то внутренняя разность потенциалов Up–n и внешнеенапряжение UА будет действовать встречно, компенсируя друг друга (рисунок 1.5, б).

При UА < Up–n запирающий слой уменьшиться, ноне исчезнет φпер= Up–n – UА (рисунок 1.5, д). Ток через p–n переходбудет незначительным.При UА ≥ Up–n запирающий слой будет полностью скомпенсированвнешним напряжением, а φпер= UА – Up–n. Из p-области в n-область13(от «+» к «–») потекут дырки, а из n-области в p-область (от «–» к «+»)— электроны (рисунок 1.5, б). Таким образом, через p–n переход будет перемещаться большое число основных носителей и по цепи потечет прямой ток, величина которого может достигать тысяч Ампер,а сопротивление p–n перехода будет составлять доли Ом.

Такое включение p–n перехода называется прямым или проводящим.1.3.3 Работа p–n перехода при обратном включениивнешнего напряженияЕсли «+» внешнего источника подключить к n-области, а «–»к р-области, то внутренняя разность потенциалов Up–n и внешнее напряжение UА будет действовать согласно (рисунок 1.5, в). При этомзапирающий слой возрастет φпер= Up–n + UА (рисунок 1.5, е), и основные носители через p–n переход проходить не смогут.Однако для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в р-области) p–n переход будет включен в проводящем направлении, и они, перемещаясь через p–n переход, создают ток (рисунок 1.5, в). Так как число неосновных носителей крайне мало,то при таком включении величина тока незначительна и не превышает тысячных долей Ампера, а обратное сопротивление составляет тысячи Ом.

Такое включение p–n перехода называется обратнымили непроводящим.Если на p–n переход подать переменное синусоидальное напряжение, то при положительной полуволне напряжения он будет работать в проводящем направлении и его сопротивление будет близкок нулю, а при отрицательной полуволне в непроводящем направлении — близко к бесконечности. Таким образом, p–n переход обладает выпрямительными свойствами — он способен пропускать токв одном направлении и не пропускать в другом.

Поэтому p–n переход получил название полупроводникового диода или просто диода. Слово «диод» образовано от двух греческих слов «di» — два,и «odos»— путь.141.4 Виды диодов1.4.1 Условные обозначения и классификация диодовДиод – полупроводниковый прибор, имеющий один p–n переход и предназначенный для выпрямления переменного напряжения в постоянное.На рисунке 1.6 приведены структурная схема (рисунок 1.6, а), условные графическое и буквенное (рисунок 1.6, б) обозначения диода.Вывод диода подключенный к р-области, называется анодом(А на рисунке 1.6), а вывод, подключенный к n-области, – катодом(К на рисунке 1.6).абРисунок 1.6 – Структурная схема (а), условные графическоеи буквенное (б) обозначения диодаДиоды классифицируют:1) по мощности: диоды малой и средней мощности (прямой ток непревышает 10 А), а также силовые диоды (прямой ток более 10 А);2) по форме р–n перехода и виду ВАХ: нелавинные (рассмотрены вданном разделе) и лавинные (рассмотрены в разделе 2);3) по конструктивному выполнению: штыревые и таблеточные.1.4.2 Конструктивные выполнения диодовВ штыревых диодах (рисунок 1.7, а) выпрямительный элементприпаивается к медному основанию, на котором с противоположнойстороны расположен ребристый охладитель (рисунок 1.7, б).Выводы со стороны крышки корпуса могут выполняться как жесткими, так и гибкими.

В зависимости от ориентации полупроводниковой структуры по отношению к основанию и крышке корпуса различают диоды прямой (анод на основании) и обратной (катод наосновании) полярности.Штыревая конструкция позволяет осуществить лишь одностороннее охлаждение полупроводниковой структуры. Поэтому диодытакой конструкции применяются на токи до 500 А.15аб1 – выпрямительный элемент; 2, 3 – соединительные втулки; 4 – крышка корпуса; 5, 7 – серебряные прокладки; 6 – внешний медный гибкий вывод; 8 – медное основание корпуса; 9 – уплотнительное кольцо; 10 – контактная чашечка; 11 – внутренний медный гибкий вывод; 12 –стеклянныйизолятор; 13 – контакт охладителя; 14 – охладительРисунок 1.7 – Конструкция (а) и общий вид (б) штыревого диодаВ таблеточных диодах (рисунок 1.8) выпрямительный элемент помещен в керамический корпус между двумя медными основаниями,к которым с противоположных сторон крепятся охладители (рисунок1.9), отводящие тепло в обе стороны.

Это позволяет при одинаковыхплощадях p–n перехода пропустить по таблеточным диодам значительно больший ток, чем по штыревым. Диоды такой конструкцииприменяются на токи до 10 000 А.161 – выпрямительный элемент; 2, 8 – серебряные прокладки; 3, 9 – медные основания; 4 – керамический корпус; 3, 5 – манжет из меди; 6 – медная мембрана; 7 – фторопластовое кольцо для центровки выпрямительногоэлемента; 10 – углубления для фиксации положения таблетки относительно охладителейРисунок 1.8 – Конструкция таблеточного диода (вид сбоку)Рисунок 1.9 – Фотография таблеточного диода вместе с охладителями171.5 Вольт-амперная характеристика диодаОсновной характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), определяющая зависимость тока, протекающегочерез диод IA, в функции приложенного напряжения UA: IA = f(UA).ВАХ диода снимают в прямом (проводящем) – IF = f(UF) (Forward –вперед) и в обратном (непроводящем) направлениях – IR = f(UR) (Reverse – обратный).Различают два вида ВАХ: статическую, которую обычно снимают для диодов малой и средней мощности, и классификационную, которую обычно снимают для силовых диодов.Статическая характеристика снимается при приложении к диодупостоянного идеально сглаженного напряжения (рисунок 1.10, а) посхеме, изображенной на рисунке 1.10, б.абРисунок 1.10 – Форма напряжения (а) и схема снятия (б)статической ВАХ диода VD1Классификационная характеристика снимается при подаче надиод постоянного пульсирующего, полученного при выпрямленииоднополупериодной схемой синусоидального переменного напряжения (рисунок 1.11, а).

Схема снятия такой ВАХ изображена нарисунке 1.11, б. Здесь диод VD0 является однополупериодным выпрямителем, который срезает отрицательные полуволны синусоидального напряжения.Изменяя напряжение UА в схемах по рисункам 1.10, б и 1.11, б отнуля до максимального значения UА МАХ, снимают статическую иликлассификационную ВАХ диодов в прямом IF = f(UF) («+» на анод,«–» на катод) и обратном IR = f(UR) («+» на катод, «–» на анод) направлениях.При замерах обычно используют приборы, измеряющие средниевеличины напряжении и токов. Для определения амплитудных зна18чений при снятии классификационной ВАХ можно замеренные средние величины умножить на π или использовать приборы, показывающие амплитудные значения.абРисунок 1.11 – Форма напряжения (а) и схема снятия (б)классификационной ВАХ диода VD1Токи, протекаемые по диоду, и падения напряжения, возникающие на диоде в проводящем и непроводящем направлениях, различны.

Поэтому ВАХ в проводящем и непроводящем направлении снимаются при различных величинах напряжений, приборами на разныхпределах измерения и строятся на графике не в одинаковых масштабах.На рисунке 1.12 изображена классификационная ВАХ силовогодиода Д161–200, 25 класса.Рисунок 1.12 – Классификационная ВАХ силового диода19В проводящем направлении характеристика диода состоит из двухучастков ОА и АВ.На участке ОА (рисунок 1.12), когда прямое напряжение подаваемое на диод не превышает примерно 1,5 В, запирающий слой нескомпенсирован внешним напряжением (UА < Up–n), сопротивление диода достаточно велико, прямой ток мал и ВАХ является нелинейной.При дальнейшем увеличении прямого напряжения (участок АВ)запирающий слой исчезает (UА > Up–n), через p–n переход устремляются основные носители заряда, сопротивление диода резко падает,а ток практически линейно возрастает.

Таким образом, при небольшом прямом напряжении UF, равном единицам вольт, по диоду протекает прямой ток IF , равный сотням ампер.В непроводящем направлении характеристику диода также можнопредставить как состоящую из двух участков ОС и СD.При увеличении напряжения в обратном направлении ток IR оченьмал и возрастает крайне медленно (участок ОС на рисунке 1.12), таккак он обусловлен движением неосновных носителей заряда, числокоторых незначительно. Поэтому даже при больших напряженияхUR, достигающих у силовых диодов нескольких тысяч вольт, ток непревышает тысячных долей ампера.Когда обратное напряжение достигает некоторого предельногозначения (т.

С на рисунке 1.12), которое называется напряжениемпробоя, происходит резкое возрастание обратного тока (участок СDна рисунке 1.12), и диод пробивается и выходит из строя.1.6 Виды пробоев диодовПробой и резкое увеличение IR вызвано интенсивным ростом количества неосновных носителей, возникающих при разрыве ковалентных связей между атомами полупроводника. Различают следующие виды пробоев, которые могут возникать как по отдельности,так и одновременно.1. Тепловой – разрывы ковалентных связей происходят под действием увеличения температуры p–n перехода обратным током IR.2. Зенеровский (электростатический) – разрывы ковалентных связей происходят за счет сильного электрического поля, создаваемогообратным напряжением UR.203.