Структура диода: 16.3. Структура диодов. Точечные и плоскостные диоды

Содержание

Конструкции и карактеристики диодов, особенности их применения

Конструкции и карактеристики диодов, особенности их применения

Диод — двухэлектродный электронный компонент, обладающий различной электрической проводимостью в зависимости от полярности приложенного к диоду напряжения. Диоды обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, но в отличие от ламп накаливания и терморезисторов, у диодов она несимметрична.

Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 1.

Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого (синим цветом) и кремниевого (черным цветом) диодов. Нетрудно заметить, что характеристики очень похожи. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: мощный диод может пропустить прямой ток в несколько десятков ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков или сотен миллиампер.

Диодов разных моделей великое множество, и все они могут иметь разное назначение, хотя основной их задачей, основным свойством является 

обеспечение односторонней проводимости тока. Именно это свойство позволяет использовать диоды в выпрямителях и детекторных устройствах. Следует, однако, заметить, что в настоящее время германиевые диоды, равно как и транзисторы вышли из употребления.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика диода

Прямая ветвь ВАХ

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, — к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения прямого напряжения Uпр, начинает возрастать и прямой ток Iпр. Но пока это возрастание незначительно, линия графика имеет незначительный подъем, напряжение растет значительно быстрее, чем ток. Другими словами, несмотря на то, что диод включен в прямом направлении, ток через него не идет, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Это напряжение называется прямым падением напряжения на диоде, на характеристике обозначено как Uд. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,5…1В.

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4В), чем для кремниевого (0,7…1,1В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде Pд = Uд * I.

Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Именно поэтому в справочниках ограничивается максимальный прямой ток, а не мощность (считается, что прямое напряжение известно). Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы — радиаторы.

Мощность, рассеиваемая на диоде

Сказанное поясняет рисунок 2, на котором показано включение нагрузки, в данном случае лампочки, через диод.

Рисунок 2. Включение нагрузки через диод

Представьте себе, что номинальное напряжение батарейки и лампочки 4,5В. При таком включении на диоде упадет 1В, тогда до лампочки дойдет лишь 3,5В. Конечно, такую схему никто практически собирать не будет, это просто для иллюстрации, как и на что влияет прямое напряжение на диоде.

Предположим, что лампочка ограничила ток в цепи на уровне ровно в 1А. Это для простоты расчета. Также не будем принимать во внимание то, что лампочка является элементом нелинейным, и закону Ома не подчиняется (сопротивление спирали зависит от температуры).

Нетрудно подсчитать, что при таких напряжениях и токах на диоде рассеивается мощность P = Uд * I или 1В * 1А = 1Вт. В то же время мощность на нагрузке всего 3,5В * 1А = 3,5Вт. Получается, что бесполезно расходуется 28 с лишним процентов энергии, больше, чем четвертая часть.

Если прямой ток через диод будет 10…20А, то бесполезно будет расходоваться до 20Вт мощности! Такую мощность имеет маленький паяльник. В описанном случае таким паяльником будет диод.

Диоды Шоттки

Совершенно очевидно, что избавиться от таких потерь можно, если снизить прямое падение напряжения на диоде Uд. Такие диоды получили название диодов Шоттки по имени изобретателя немецкого физика Вальтера Шоттки. Вместо p-n перехода в них используется переход металл – полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4В, что значительно снижает мощность, выделяющуюся на диоде.

Единственным, пожалуй, недостатком диодов Шоттки является низкое обратное напряжение, — всего несколько десятков вольт. Максимальное значение обратного напряжения 250В имеет промышленный образец MBR40250 и его аналоги. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

Обратная ветвь ВАХ

Одним из недостатков следует считать то, что даже при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает обратный ток, ведь идеальных изоляторов в природе не бывает. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до единиц микроампер.

Вместе с обратным током на диоде выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. Если эта мощность будет превышена, то возможен пробой p-n перехода, диод превращается в обычный резистор или даже проводник. На обратной ветви ВАХ этой точке соответствует загиб характеристики вниз.

Обычно в справочниках указывается не мощность, а некоторое предельно допустимое обратное напряжение. Примерно так же, как ограничение прямого тока, о котором было сказано чуть выше.

Собственно зачастую именно эти два параметра, а именно прямой ток и обратное напряжение и являются определяющими факторами при выборе конкретного диода. Это на тот случай, когда диод предназначается для работы на низкой частоте, например выпрямитель напряжения с частотой промышленной сети 50…60Гц.

Электрическая емкость p-n перехода

При использовании диодов в высокочастотных цепях приходится помнить о том, что p-n переход, подобно конденсатору имеет электрическую емкость, к тому же зависящую от напряжения, приложенного к p-n переходу. Это свойство p-n перехода используется в специальных диодах – варикапах, применяемых для настройки колебательных контуров в приемниках. Наверно, это единственный случай, когда эта емкость используется во благо.

В остальных случаях эта емкость оказывает мешающее воздействие, замедляет переключение диода, снижает его быстродействие. Такая емкость часто называется паразитной. Она показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Паразитная емкость

Конструкция диодов.

Плоскостные и точечные диоды

Чтобы избавиться от вредного воздействия паразитной емкости, применяются специальные высокочастотные диоды, например точечные. Конструкция такого диода показана на рисунке 25.

Рисунок 4. Точечный диод

Особенностью точечного диода является конструкция его электродов, один из которых является металлической иглой. В процессе производства эта игла, содержащая примесь (донор или акцептор), вплавляется в кристалл полупроводника, в результате чего получается p-n переход требуемой проводимости. Такой переход имеет малую площадь, а, следовательно, малую паразитную емкость. Благодаря этому рабочая частота точечных диодов достигает нескольких сотен мегагерц.

В случае, если используется более острая игла, полученная без электроформовки, рабочая частота может достигать нескольких десятков гигагерц. Правда, обратное напряжение таких диодов не более 3…5В, да и прямой ток ограничен несколькими миллиамперами. Но ведь эти диоды и не являются выпрямительными, для этих целей, как правило, применяются плоскостные диоды. Устройство плоскостного диода показано на рисунке

Рисунок 5. Плоскостный диод

Нетрудно видеть, что у такого диода площадь p-n перехода намного больше, чем у точечного. У мощных диодов эта площадь может достигать до 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их прямой ток намного больше, чем у точечных. Именно плоскостные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, как правило, не свыше нескольких десятков килогерц.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов.

Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи.

Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала.

Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания.

Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED — подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Ранее ЭлектроВести писали, что в январе 2021 Украина снизила экспорт электроэнергии в 13,4 раза (на 645,3 млн кВт*ч) по сравнению с аналогичным периодом 2020 году – до 51,9 млн кВт*ч.

По материалам: electrik.info.

Характеристики диодов, конструкции и особенности применения

Диод – электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом.

Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым.

Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.

Содержание статьи

Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.

Неполупроводниковые

Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды. Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.

Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные, из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.

Полупроводниковые

В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов).

Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.

Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.

Полупроводниковые диоды

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния.

Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами.

Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными.

Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Материалы для изготовления диодов

При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.

Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В.

В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал.

Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.

Виды диодов по частотному диапазону

По рабочей частоте диоды делятся на:

  • Низкочастотные – до 1 кГц.
  • Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными.
  • Импульсные диоды используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении.

В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока.

По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

  • Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
  • Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
  • Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей.

Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Виды диодов по типу конструкции

Стабилитроны (диоды Зенера)

Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.

Стабисторы

Стабиистор, или нормистор, — это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).

Диоды Шоттки

Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.

Варикапы

Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.

Туннельные диоды

Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.

Тиристоры

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока.

В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно.

Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

Диодные мосты

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Фотодиоды

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне.

Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток.

Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

Лавинные и лавинно-пролетные диоды

Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.

PIN-диоды

PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.

Триоды

Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку.

Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами.

Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.

Маркировка диодов

Маркировка полупроводниковых диодных устройств включает цифры и буквы:

  • Первая буква характеризует исходный материал. Например, К – кремний, Г – германий, А – арсенид галлия, И – фосфид индия.
  • Вторая буква – класс или группа диода.
  • Третий элемент, обычно цифровой, обозначает применение и электрические свойства модели.
  • Четвертый элемент – буквенный (от А до Я), обозначающий вариант разработки.

Пример: КД202К – кремниевый выпрямительный диффузионный диод.

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Конструктивно-технологическая оптимизация параметров диодов Шоттки

Диоды Шоттки находят широкое применение в выходных каскадах импульсных источников питания и DC/DC-конверторов, используемых в системах электропитания компьютеров, серверов систем связи и передачи данных.

В системных блоках питания диоды Шоттки используются для выпрямления тока каналов +3,3 и +5 В при величине выходных токов в десятки ампер.

Серьезное внимание к вопросам быстродействия выпрямителей и снижения их энергетических потерь позволит увеличить КПД источников питания и повысить надежность работы силовых транзисторов первичной части блока питания.

Использование диодов Шоттки в схемах управляемых преобразователей энергии электропривода обеспечивает минимальное напряжение прямого восстановления диода при выключении силовых ключей, а также переключение силовых ключей с малыми коммутационными потерями и помехами. Благодаря этому возможно задавать высокую частоту коммутации, уменьшать количество вспомогательных компонентов, а также их размеры, массу и стоимость [1].

Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую емкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту диода. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируют переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая емкость перехода (т. е.

короткое время восстановления) позволяет создавать выпрямители, работающие на частотах в сотни килогерц и выше.

Благодаря хорошим временным характеристикам и малым емкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, что делает их наиболее предпочтительными для применения в импульсных блоках питания электронной аппаратуры.

Параметры диодов Шоттки

Довольно большой обратный ток и величина максимально допустимого обратного напряжения не более 200 В ограничивают применение кремниевых диодов Шоттки. Поэтому для увеличения допустимого обратного напряжения перспективно использование карбида кремния и арсенида галлия с шириной запрещенной зоны больше, чем у кремния, а также последовательное включение кристаллов.

Так, например, серию арсенид-галлиевых диодов Шоттки на напряжения 150–250 В производит фирма IXYS, а карбид-кремниевые диоды Шоттки с допустимыми значениями обратного напряжения 300–600 В — фирма Infineon Technologies.

Созданы лабораторные образцы диодов Шоттки, выдерживающие обратные напряжения не менее 1,5 кВ [2].

При этом карбид-кремниевые и арсенид-галлиевые диоды Шоттки имеют не только более высокое допустимое обратное напряжение, но и меньший обратный ток, чем кремниевые приборы.

Изменением высоты барьера Шоттки φB можно получать наилучшее соотношение между прямым напряжением и обратным током. Параметр φB входит в выражение для прямого напряжения VF в качестве отдельного слагаемого и экспоненциально влияет на величину обратного тока Ir.

где IF — прямой ток, Rser — последовательное сопротивление объема полупроводника и омического контакта, Ir — обратный ток, S — площадь контакта Шоттки, А** — модифицированная эффективная постоянная Ричардсона, Т — абсолютная температура, q — элементарный заряд, k — постоянная Больцмана, φB — высота барьера Шоттки, n — коэффициент неидеальности прямой ВАХ.

Следует иметь в виду, что в области обратных напряжений вблизи Umax обратный ток контакта металл–кремний суммируется с током p-n-перехода охранного кольца с учетом лавинного умножения носителей заряда. Поэтому диоды Шоттки с высоким барьером обычно имеют более высокие значения максимально допустимого обратного напряжения и максимально допустимой температуры перехода, чем приборы с низким барьером (рис. 1).

Рис. 1. Электрические характеристики диодов Шоттки при максимально допустимой температуре перехода: 1, 3, 5 — +150 °С; 2, 4 — +175 °С разных изготовителей (1, 2 — STMicroelectronics; 3, 4 — International Rectifier; 5 — Philips)

Электрические свойства диодов Шоттки, прежде всего, определяются высотой потенциального барьера на границе раздела металл–полупроводник и поэтому зависят от выбора контактного металла. Среди наиболее распространенных в настоящее время — такие тугоплавкие переходные металлы, как Mo, V, Pd, Pt.

При этом следует учесть, что в процессе формирования контакта металл–полупроводник вследствие протекания твердофазных реакций на границе раздела при термообработке происходит формирование переходного слоя соответствующего силицида, который, по существу, и определяет электрические свойства барьера Шоттки, например его высоту [3].

Контакт на основе силицида платины обеспечивает получение наиболее высокого энергетического барьера, что предопределяет такие свойства диодов Шоттки, как малые токи утечки, высокие пробивные напряжения, широкий диапазон рабочих температур, помехозащищенность, временная стабильность.

Особенности конструкции

Простейшая конструкция диода Шоттки с параллельными контактами, границы которых находятся на поверхности эпитаксиального слоя, представлена на рис. 2 [4].

Для предотвращения снижения максимально допустимого обратного напряжения Vr max из-за увеличения обратного тока на границах параллельных контактов предложена конструкция с дополнительными p-n-переходами и использованием смыкания области обеднения (рис. 2б) [5].

Также существуют конструкции диодов Шоттки с параллельными контактами и канавками в кремнии, причем либо на дне канавки располагается материал с большей высотой барьера (рис. 3а) [6], либо вся канавка заполняется таким материалом (рис. 3б) [7].

Рис. 2. Структура диодов Шоттки: а) с параллельными контактами; б) с дополнительными p-n-переходами. 1 — подложка; 2 — эпитаксиальный слой; 3 — слой SiO2; 4 — охранное кольцо; 5 — контакт с меньшей высотой барьера; 6 — контакт с большей высотой барьера; 7 — металлизация анода; 8 — металлизация катода, 9 — дополнительные p-n-переходы

Рис. 3. Структура диодов Шоттки с параллельными контактами и канавками в кремнии. 1 — подложка; 2 — эпитаксиальный слой; 3 — слой SiO2; 4 — охранное кольцо; 5 — контакт с большей высотой барьера; 6 — контакт с меньшей высотой барьера; 7 — металлизация катода, 8 — металлизация анода

Однако диоды Шоттки с параллельными контактами характеризуются следующим недостатком: нанесение второго материала контакта требует предварительной обработки открытой поверхности кремния, во время которой происходит ее загрязнение металлическими примесями первого материала контакта.

В современных системных блоках питания компьютеров диоды Шоттки применяют, как правило, в виде диодных сборок (диодные полумосты), что повышает технологичность и компактность устройств, а также улучшает условия охлаждения диодов.

Диодные сборки выпускаются, в основном, в трех типах корпусов (рис.

 4): TO-220 (менее мощные сборки с рабочими токами до 20–25 А), TO-247 (более мощные сборки с рабочими токами 30–40 А), TO-3P (мощные сборки) и ТО-263 (для поверхностного монтажа).

Рис. 4. Конструкции диодных сборок: а) ТО-220; б) ТО-247; в) ТО-3P; г) ТО-263

Выбор вариантов технологического процесса

Современный уровень электрических параметров полупроводниковых приборов обуславливается технологией их изготовления.

Использование того или иного метода при создании приборов диктуется соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также надежностью приборов [8].

Процесс изготовления мощных быстродействующих диодов с такими параметрами, как прямой ток 2×5 А, обратный ток N и Uпроб

Диоды (часть 1). Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

  • Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
  • Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
  • Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
  • Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
  • Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки.

В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения.

При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Похожие темы:

Диоды лавинные ДЛ153

Диоды ДЛ153 – лавинные выпрямительные мощные низкочастотные диоды таблеточной конструкции общего назначения. Преобразовывают и регулируют постоянный и переменный ток до 2000 ампер частотой до 500 Гц в цепях с напряжением 1600 В – 3200 В (16-32 кл). Тип корпуса диодов серии ДЛ153 – PD53: диаметр контактной поверхности – Ø50 мм, габаритные размеры – Ø75х26 мм, масса – 0,550 кг. «PD» означает «pill diode» — таблеточный диод.

  • Лавинные диоды отличаются от силовых выпрямительных диодов тем, что они выдерживают значительные перенапряжения и после снятия напряжения восстанавливают свои параметры.
  • Часто запрашиваемые номиналы диодов: ДЛ153-1250, ДЛ153-1600, ДЛ153-2000.
  • Видео: Обзор силовых диодов таблеточной конструкции

Диоды изготавливаются для эксплуатации в умеренном, холодном (УХЛ) или тропическом (Т) климате; категория размещения – 2. Полярность (цоколевка) диодов определяется по значку на корпусе.

Применяются силовые диоды ДЛ153 в качестве выпрямительных и размагничивающих диодов, для предотвращения пагубного воздействия коммутационных перенапряжений, в низковольтных выпрямителях сварочного и гальванического оборудования, в неуправляемых или полууправляемых выпрямительных мостах, а также в электрогенераторах промышленности и транспорта.

Для отвода тепла диоды собирают с охладителями (радиаторами) при помощи резьбового соединения.

Чтобы обеспечить надежный тепловой и электрический контакт диода с охладителем, при сборке необходимо соблюдать усилие сжатия Fm (для ДЛ153 усилие зажатия составляет 22 кН).

Соответствие усилия сжатия определяется величиной прогиба траверсы. Также для лучшего отвода тепла при сборке может использоваться теплопроводящая паста КПТ-8.

Подробные характеристики, расшифровка маркировки, полярность, размеры, применяемые охладители указаны ниже. Гарантия работы поставляемых нашей компанией диодов составляет 2 года с момента их приобретения, что подкрепляется соответствующими документами по качеству.

Окончательная цена на диоды ДЛ153 зависит от класса, количества, сроков поставки, производителя, страны происхождения и формы оплаты.

30.Особенности конструкции и принцип действия лов типа м. Характеристики и параметры

В
ЛОВМ происходит взаимодействие
электронного потока с обратной
пространственной гармоникой волны в
замедляющей системе. Процесс взаимодействия
электронов с СВЧ полем происходит в
ЛОВМ так же, как в ЛБВМ.

Поперечная
составляющая электрического поля
группирует электроны, продольная
составляющая вызывает поперечное
смещение сгруппированных электронов
и преобразование их потенциальной
энергии в энергию СВЧ поля.

В процессе
взаимодействия средняя скорость
электронов остается постоянной и равной
переносной скорости электронов. ЛОВМ
являются самыми мощными генераторами
с электронной перестройкой частоты.
ЛОВМ перекрывают диапазон частот 0,15…18
ГГц с выходными мощностями от 5 кВт до
единиц ватт.

КПД достигает значений
35…40 %. Диапазон электронной перестройки
составляет 30…40 %, при этом обеспечивается
линейная зависимость частоты от
ускоряющего напряжения.

Одинаковый
диапазон изменения частоты в ЛОВМ можно
получить для прочих равных условий при
меньшем изменении напряжений чем в
ЛОВО. ЛОВМ используются в системах
радиопротиводействия, системах связи
с частотной модуляцией.

31.Особенности смесительных и детекторных диодов свч.Вах,эквивалентная схема,параметры смесительных и детекторных диодов

Для
детектирования и преобразования на
более низкую частоту слабых СВЧ сигналов
обычно используют детекторные и
смесительные диоды, работающие как
варисторы, поэтому в их конструкциях и
характеристиках имеется много общего,
а отличие в основном заключается в
режиме работы.

Современные детекторные
и смесительные диоды используют структуры
ДБШ, обладающие целым рядом достоинств,
обусловленных тем, что ДБШ работают на
основных носителях. Точечные прижимные
диоды находят применение в основном в
измерительной аппаратуре в качестве
детекторных диодов.

Иногда в детекторах
и смесителях применяют обращенные
диоды, у которых используется обратная
ветвь ВАХ, обладающая высокой крутизной.
Обращенные диоды имеют хорошие
электрические характеристики, однако,
из-за низкой электрической прочности,
трудностей изготовления широкого
применения не получили.

Частотные
свойства смесительных и детекторных
диодов характеризует значение критической
частоты диода:

fc
=
1/(2πrsCб)-1
[ГГц].

Для
эффективной работы диода необходимо,
чтобы критическая частота диода была
значительно выше рабочей частоты.

Электрическая
прочность диодов в области обратных
напряжений характеризуется нормируемым
обратным напряжением Uнорм.обр,
при котором обратный
ток достигает определенного значения,
например для ДБШ Iобр = 10мкА.
Для точечных диодов Uнорм.обр
=
1…3 В, для ДБШ Uнорм.обр
=
3…10 В, меньшие значения соответствуют
более высокочастотным диодам.

В области
прямых токов электрическая прочность
диодов характеризуется энергией
«выгорания» — той минимальной
энергией Wвыг
импульса
длительностью не более 10-8
с,
после воздействи которого парамеры
диода необратимо ухудшаются на заданное
значение.

Обычно Wвыг

10-8…10-7
Дж,
поэтому диоды необходимо защищать от
перегрузок и действия статического
электричества.

При
работе в непрерывном режиме допустимая
рассеиваемая мощность Ррас
составляет
10…40 мВт для германиевых диодов и 10…100
мВт для кремниевых и ДБШ. Детекторные
диоды находят основное применение для
индикации и измерения параметров
сигналов СВЧ и служат для
преобразованиянепрерывны СВЧ сигналов
в сигнал постянного тока или импульсного
сигнала СВЧ в видеоимпульс

Смесительные
диоды используют для преобразования
частоты в радиоприемных устойствах СВЧ
диапазона, причем очень часто смеситеь
является входным каскадом приемного
устройства. В таких случаях наиболее
важными параметрами смесительных
диодов, является коэффициент шума Кш,
потери преобразования L.

У современных
смесительных диодов Кш
=
4…16 дБ. Меньшие значения Кш
относятся
к диодам более низких частот.

Смесительные
диоды являются пассивными элементами
с внутренним активным сопротилением,
поэтому при побразовании часоты
происходят потери мощности полезного
сигнала, обычно оцениваемые параметром
L:

L
= 10 lg(Pc/Pпч)
[дБ],

Рс

мощность сигнала, Рпч

мощность сигнала на промежуточной
частоте.

1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД — Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

СИД представляет собой полупроводниковый прибор с р-n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.(СИД)

Когерентными источниками называют такие источники, которые излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника охваченное  объемным резонатором (например, Фабри-Перо).

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку  в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. (Рис.1.2)

Рисунок 1.2. Конструкция поверхностного светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой (Рис. 3).

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода.

В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии. При этом фотоны (кванты энергии),

 

 

Рисунок 1.3. Конструкция торцевого светодиода

(Ga- галлий, As – мышьяк, Al – алюминий)

 

случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции.

Данная мощность больше у торцевых СИД, их еще называют СЛД – супер люминесцентными диодами.

 

Основные характеристики светодиодов

1.     Ватт-амперная характеристика светодиодов — это зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4)

Рисунок 1.4 Ватт-амперные характеристики светодиодов

 

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ватт-амперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться .

2. Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (Рис. 5).

 

Рисунок 1. 5. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Δλ1 (10 ÷ 30 нм), для поверхностного СИД Δλ2 (30 ÷ 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций.

3.     Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве.

Рисунок 1.6. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Рmax/2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности (рис.6). Для поверхностного СИД величины φxy и могут составлять 110°…180°. Для СЛД величины φx и φy не равны и примерно составляют: φx = 60 °,

φy = 30.

4.    Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе «полупроводник – воздух» и «полупроводник – световод» из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

5.    Срок службы и надежность. Всем светодиодам присуще деградация параметров – постепенное уменьшение мощности при длительной эксплуатации. Срок службы зависит от материала и конструкции СИД, от температуры. При увеличении температуры на 100 – 200 срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СИД должен составлять 105, для наземных и для подводных линий связи — 106.

Полупроводниковые СИД  являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения  следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность (Рис.7).

Рисунок 1. 7. Схема включения СИД в коллекторную схему транзистора

На схеме СИД включается в коллекторную цепь транзистора. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет коллектором и током, являющийся одновременно током инжекции СИД. С помощью резисторов R1 и R2  можно подобрать  необходимое значение начального тока, пробегающего через СИД.

Реальные схемы модуляции, как правило, включают цепь стабилизации режима работы и цепь обратной связи, которая уменьшает нелинейность ватт-амперной характеристики СИД.

Итак, сравнительно простая конструкция, высокая надежность, слабая зависимость от температуры делают СИД особенно подходящими для ВОСП на короткие расстояния при относительно невысокой информационной пропускной способности.  

 

Структура — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Структура — диод

Cтраница 1

Структура диода с барьером Шотки приведена на рис. 3.4. На кристалле кремния с проводимостью — типа формируется тонкий эпитаксиальный слой.  [1]

Толщина структур диодов при этом существенно возрастает; вместе с ней возрастают прямые напряжения и средняя мощность потерь в диодах.  [3]

На неоднородное распределение температуры структуры диода по ее площади влияют к дефекты конструкции, приводящие к неоднородному теп-лоотводу от различных участков структуры.  [4]

Выделение в малом объеме структуры диода в процессе его работы значительного количества теплоты требует создания хорошего теплоотвода. Существуют три основных вида охлаждения диодов: воздушное, жидкостное и испарительное. В случае воздушного охлаждения диод крепится на специальный ребристый ра — кА диатор. Для уменьшения га — з 5 барита радиаторов часто используется принудительная циркуляция охлаждающего воздуха при скоростях 3 0 порядка 6 — 12 м / с. При жидкостном охлаждении в качестве хладоагента обычно применяются вода или трансформаторное масло, которые циркулируют через радиатор диода. Охлаждение самого хладоагента производится в специальном теплообменнике.  [5]

Тепловое сопротивление зависит не только от структуры диода и его материалов, но и от рода охлаждающей среды ( воздух, вода, масло) и интенсивности охлаждения. Так, например, в вентилях типа ВКД-200 при воздушном охлаждении оно изменяется в зависимости от скорости воздуха в пределах от 0 25 до 0 75Q С / вт, а при водяном охлаждении — от 0 15 до 0 4 С / вт.  [7]

На рис. 1.62, а изображена структура диода р — п, на рис. 1.62 6 — изменение напряженности электрического поля по структуре при обратном напряжении, соответствующем лавинному пробою. Пары электрон-дырка, генерируемые в узкой части области объемного заряда, где напряженность поля достаточна для ударной ионизации, разделяются полем перехода. Ток через диод идет до тех пор, пока носители двигаются по области объемного заряда. Из-за несимметричности р-л-перехода время дрейфа электронов через область объемного заряда до относительно низкоомной — области получается больше времени дрейфа дырок. Это время дрейфа электронов, или время пролета, определяет на высоких частотах фазовый сдвиг между приложенным к диоду напряжением и проходящим током.  [9]

На рис. 3.54, а изображена структура диода р — п, на рис. 3.54, б — изменение напряженности электрического поля по структуре при обратном напряжении, соответствующем лавинному пробою. Пары электрон — дырка, генерируемые в узкой части области объемного заряда, где напряженность поля достаточна для ударной ионизации, разделяются полем перехода. Ток через диод идет до тех пор, пока носители двигаются по области объемного заряда.  [10]

Сопротивление диода в области пробоя зависит от структуры диода и лавинного тока. В начале пробоя это сопротивление очень велико, а при больших плотностях тока уменьшается до величины, близкой к объемному сопротивлению. Согласно теоретическим представлениям лавинный ток передается импульсами в 50 — 80 мка, проходя через ряд небольших участков перехода, что обусловливает высокое сопротивление при малом числе импульсов и уменьшение сопротивления с повышением числа импульсов. При плотности тока порядка 104 а / см2 в работу включается вся площадь перехода и сопротивление носит только объемный характер. Зависимость сопротивления по переменному току низкой частоты в области пробоя для различных пробивных напряжений от обратного тока показана на фиг. Значения сопротивления получены наложением малого сигнала переменного тока на соответствующее смещение по постоянному току и измерением потенциала переменного тока через диод.  [11]

Изгиб выводов допускается не ближе 7 мм он структуры диода.  [12]

Изгиб выводов допускается не ближе 7 мм от структуры диода.  [13]

Эквивалентная температура не обязательно является максимальной температурой в структуре диода.  [14]

В отличие от всех других типов полупроводниковых диодов СВЧ структура диода с объемным эффектом не содержит р-п перехода и представляет собой тонкую пластинку из GaAs n — типа ( обычно в форме квадрата со стороной 0 1 — 0 15 мм), на обе поверхности которой пайкой или металлизацией нанесены невыпрямляющие металлические контакты. Процесс преобразования энергии постоянного тока в СВЧ колебания, в отличие от диодов с р-п переходом, происходит не в какой-либо узкой области образца, а во всем объеме полупроводника.  [15]

Страницы:      1    2    3

Что такое диод Шоттки- подробное описание полупроводника.

В электроустановках, как вы знаете, имеет огромное применение силовые полупроводниковые приборы — промышленные диоды. Это  стабилитроны, диоды Зенера и гость нашей статьи — диод Шоттки.

Что такое диод Шоттки(наречен в честь немецкого физика Вальтера Шоттки), могу сказать кратко – он отличается от других диодов принципом работы основанный на выпрямляющем контакте металл – полупроводник. Этот эффект может получиться в двух случаях: для диода n-типа –если в полупроводнике работа выхода меньше чем металла, для диода р-типа – если работа выхода полупроводника больше чем металла. Наибольшей популярностью пользуются диоды Шоттки вида n-типа из-за высокой подвижностью электронов, сравнимо с подвижностью дырок.

Рис 1. Вид диода Шоттки в разрезе

Плюсы и минусы

Для сравнения берем биполярный диод. Как говорится: сразу в огонь, начнем с недостатка, а он считаю самый важный. У диодов Шоттки огромный обратный ток.

 

С минусами все, теперь хорошее, плюсы.

  • Во-первых, считаю, что диоды Шоттки являются наиболее быстродействующими. Так же можно учитывать плюсом прямое падение напряжения при таком же токе на несколько десятых вольта меньше как у биполярных.
  • Во-вторых, можно добавить, что у  данных диодов  не накапливается не основные носители заряда, так как ток в полупроводнике проходит по принципу дрейфа. Про этот механизм расскажу в следующих статьях.

Структура диода Шоттки.

Огромное количество диодов Шоттки изготавливаются по планарной технологии с  эпитаксиальным n-слоем, на поверхности которого создают оксидный слой, в котором образуются окна для формирования барьера. В роли последнего используются такие металлы: молибден, титан, платина, никель. По всей площади контактной области формируется кольцо кремния р-типа( рис 2 а), которое будет служить уменьшением краевых токов утечки.

Рис 2 а.,б.

Работает «охранное» кольцо таким способом: степень легирования и размеры р-области проектируется таким образом, чтобы при перенапряжениях на приборе ток пробоя протекал именно через р-n-преход, а не через контакт Шоттки.

Здесь мы видим, что области р-типа сформированы непосредственно в активной области перехода Шоттки. Поскольку в такой конструкции имеется два типа перехода – переход металл-кремний и р-n-переход,- по своим свойствам и характеристикам она занимает  промежуточное положение. Благодаря переходу Шоттки, она имеет минимальные токи утечки, а из наличия р-n-перехода — большие напряжения при прямом смещении.

Также конструкция, приведенная на рисунке 2 б, обладает повышенной устойчивостью к действию разряда статического электричества. Это следует из принципа работы, который заключается в том, что объемные токи утечки замыкаются на обедненной области р-n-перехода, тем самым уменьшая электрическое поле на границе раздела металл-полупроводник при прямом смещении, области пространственного р-n-переходов имеют минимальную ширину, и вольт-амперная характеристика (ВАХ) рис.3  диода близка к ВАХ типовой конструкции диода. При обратных же напряжениях область обеднения р-n-перехода увеличивается по мере увеличения прикладываемого напряжения и ОПЗ соседних р-n-переходов смыкается, образуя своего рода «экран», защищающий контакт Me-Si высоких напряжений, которые могут вызвать большие объемные токи утечки.

Рис.3 Вольт-амперная характеристика диода Шоттки

Принцип действия

Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, смещенного в прямом направлении, определяется формулой

которая по форме совпадает с ВАХ р-n-перехода, однако ток  J0  гораздо выше, чем Js (типовые значения диода Шоттки Al-Si при 25 С J0 = 1.6 *10-5А/см2, а для р-n-перехода при Nd=Na=1016А/см3, Js=10-10А/см2)

При прямом смещении диода Шоттки к прямому падению напряжения на переходе добавляется напряжение на самом полупроводнике. Сопротивление этой области содержит две составляющие:  сопротивление слаболегированной эпитаксиальной пленки (n) и сопротивление сильнолегированной подложки (n+). Для диода Шоттки с низким допустимым напряжением (менее 40 В) эти два сопротивления оказываются одного порядка, поскольку n+ область значительно длиннее (n) области (примерно 500 и 5 мкм, соответственно). Общее сопротивление кремния площадью 1 см2 составляет в таком случае   от 0,5 до 1 мОм, создавая падение напряжения в полупроводнике от 50 до 100 мВ при токе 100А.

Если диод Шоттки выполняется на допустимое обратное напряжение более 40 В, сопротивление слаболегированной области возрастает очень быстро, поскольку для создания более высокого напряжения требуется более протяженная слаболегированная область и еще более низкая концентрация носителей. В результате оба фактора приводят к возрастанию сопротивления (n) области диода.

Конструкторско-технологические приемы.

Большое сопротивление является одной из причин того, что обычные кремниевые диоды Шоттки не выполняются на напряжение свыше 200 В.

 

Для снижения обратных токов утечки, повышение устойчивости к разрядам статического электричества используются различные приемы.

Так, для снижения токов утечки и выхода годных диодов Шоттки в окне под барьерный слой делают углубление 0,05 мкм, а после формировании углубления в эпитаксиальном слое  проводят отжиг при температуре 650 град. В среде азота в течении 2-6 часов.

Снижение обратных токов молибденовых диодов Шоттки добиваются путем создания геттерирующего слоя перед нанесением   эпитаксиального слоя полированием обратной стороны подложки свободным абразивом, а после металлизации электрода Шоттки удаляют геттерирующий слой.

При выдерживании оптимальных соотношений между шириной и глубиной охранного кольца также можно существенно обратные токи утечки и повысить устойчивость к статики.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Как работают диоды Шоттки

Все, что вам нужно знать о том, как работают диоды Шоттки


Подобно другим диодам, диод Шоттки в зависимости от направления течения тока в электрической цепи влияет на ток. В мире электроники эти устройства работают так же, как улицы с односторонним движением – они позволяют току течь только от анода к катоду. Тем не менее, в отличие от обычных полупроводниковых диодов, диод Шоттки известен благодаря низкому падению напряжения при его прямом включении и способностью к быстрому переключению. Это делает его идеальным выбором для использования в высокочастотных устройствах, а также в устройствах, где используются низкие напряжения. Диод Шоттки может применяться в самых разных устройствах, например:

  • Для выпрямления тока большой мощности. Диоды Шоттки могут использоваться в мощных устройствах благодаря низкому падению напряжения при прямом включении. Эти диоды затрачивают меньше энергии, что способствует уменьшению размеров радиатора;

  • В универсальных источниках питания. Диоды Шоттки также могут помогать разделять питание при использовании блоков двойного электропитания, использующих энергию электрической сети и аккумуляторов;

  • В элементах солнечных батарей. Диоды Шоттки могут помочь добиться максимальной эффективности элементов солнечной батареи благодаря низкому падению напряжения при прямом включении. Также они помогают защищать ячейки от обратного заряда;

  • В качестве защелки. Диоды Шоттки могут также использоваться в качестве защелки в транзисторных схемах, а также в цепях с логическими элементами 74LS или 74S.

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Одним из главных преимуществ использования диода Шоттки вместо обычного диода является низкое сопротивление его перехода металл-полупроводник, приводящее к тому, что напряжение падает при его прямом включении. Таким образом диод Шоттки потребляет меньшее напряжение, чем обычный диод. На его p-n-переходе падает лишь 0,3-0,4 В. На графике ниже вы можете видеть прямое падение напряжение, составляющее приблизительно 0,3 В. Ток через диод Шоттки значительно возрастает при увеличении напряжения сверх указанного. Через обычный диод ток не растет до напряжения приблизительно 0,6 В.

На рисунках ниже показаны две электрические цепи в качестве иллюстрации преимуществ низкого падения напряжения при прямом включении. В цепи слева обычный диод, а справа – диод Шоттки. У обеих цепей источник питания дает напряжение 2 В постоянного тока.

Обычный диод потребляет 0,7 В, отдавая нагрузке лишь 1,3 В. Благодаря низкому падению напряжения при прямом включении, диод Шоттки потребляет только 0,3 В, отдавая нагрузке 1,7 В. Если нагрузке необходимы 1,5 В, то для такой задачи подойдет только диод Шоттки.

Другие преимущества использования диода Шоттки вместо обычного диода:

  • Малое время обратного восстановления. Диод Шоттки накапливает небольшой заряд, что делает его идеальным для использования в схемах, требующих быстрого переключения — они широко используются при конструировании высокочастотных печатных плат;

  • Пониженный уровень помех. Диод Шоттки добавляет в схему меньшее количество нежелательного шума по сравнению с типичным диодом с p-n-переходом;

  • Более высокие характеристики. Диод Шоттки потребляет меньше энергии, поэтому подходит по техническим требованиям для использования в низковольтных устройствах.

Также следует помнить о нескольких недостатках диодов Шоттки. Диод Шоттки, на который подано обратное напряжение смещения, будет пропускать больший обратный ток, чем обычный диод. Это приводит к тому, что в цепи с обратным включением диода Шоттки ток утечки больше.

Максимальное обратное напряжение диода Шоттки также меньше, чем у обычных диодов, и обычно составляет не более 50 В. При превышении этого напряжения происходит пробой диода Шоттки, в результате чего он начинает пропускать большой ток в обратном направлении. До этой величины обратного напряжения существует лишь небольшой ток утечки через диод Шоттки, впрочем, как и у других диодов.

Как работает диод Шоттки

В обычном диоде полупроводники p-типа и n-типа образуют p-n-переход. В диоде Шоттки вместо полупроводника p-типа используется металл. Этот металл может быть разным – от платины до вольфрама, молибден, золото и т. д.

Металл и полупроводник n-типа образуют переход металл-полупроводник. Он называется барьером Шоттки. Свойства барьера Шоттки различны при отсутствии напряжения смещения, при прямом и при обратном смещении.

Напряжение смещения отсутствует

При отсутствии напряжения смещения свободные электроны будут перемещаться из полупроводника n-типа в металл, чтобы восстановить равновесие. Этот поток электронов создает барьер Шоттки, где встречаются отрицательные и положительные ионы. Чтобы свободные электроны смогли преодолеть этот барьер, требуется приложение внешнего напряжения большего, чем потенциал поля перехода металл-полупроводник.

Прямое смещение

Если положительную клемму батарейки подключить к выводу диода, подключенного к металлической части перехода метал-полупроводник, а отрицательную – к выводу диода, подключенного к полупроводнику, то таким образом мы подадим на диод прямое смещение. В этом состоянии, если напряжение больше 0,2 В, то электроны могут преодолеть переход металл-полупроводник и перейти из полупроводника n-типа в металл. Это приведет к возникновению тока через диод. Так работают все диоды.

Обратное смещение

Если отрицательную клемму батарейки подключить к выводу диода, подключенного к металлической части перехода метал-полупроводник, а положительную – к выводу диода, подключенного к полупроводнику, то таким образом мы подадим на диод обратное смещение. Так мы увеличим ширину барьера Шоттки, не давая току течь через диод. Тем не менее, если напряжение обратного смещения будет возрастать, то, в конце концов, барьер будет пробит. После чего ток потечет в обратном направлении и может повредить этот и другие электронные компоненты.

Изготовление и параметры диода Шоттки

Существуют различные способы изготовления диода Шоттки. Самый простой способ изготовить диод Шоттки – это присоединить к поверхности полупроводника металлический провод, сделав точечный контакт. Некоторые диоды Шоттки до сих пор производятся таким способом, но осуществить контроль качества готовых диодов сложно.

Самая популярная технология использует вакуумное нанесение металла на поверхность полупроводника. Этот метод обладает недостатком, заключающимся в пробое диода вследствие воздействия электрических полей по краям пластины проводника. Для устранения этой проблемы производители защищают полупроводниковую пластину оксидным охранным кольцом. Кроме того, это охранное кольцо защищает переход металл-полупроводник от разрушения вследствие физического воздействия. Такие диоды изготавливаются в том числе в форм-факторе, допускающем поверхностный монтаж компонентов.

Параметры диода Шоттки

Ниже приведен перечень характеристик, на основании которых следует подбирать диод Шоттки для использования в вашем следующем электронном проекте.

Примеры диодов Шоттки

Полезно увидеть, как эти характеристики обычно приводятся на сайте изготовителя или в спецификации. Ниже приведены два примера:

1N5711 – это ультрабыстрый диод Шоттки, обладающий высоким пробивным напряжением, низким падением напряжения при прямом включении и охранным кольцом для защиты перехода металл-полупроводник.

1N5828 – это диод Шоттки в корпусе штыревого типа, используемый для выпрямления тока.

Управление током

Вы планируете поработать над высокочастотным или мощным устройством, в котором требуется применение низкого напряжения? Ваш выбор – диоды Шоттки! Эти диоды широко известны благодаря их низкому падению напряжения при прямом включении и высокой скорости переключения. Используются ли они в ячейках солнечных батарей или для выпрямления тока, нет других подобных устройств, обладающих падением напряжения всего 0,3 В, дающее дополнительную эффективность. Современные ПО для разработки электронных устройств уже имеют множество готовых к использованию бесплатных библиотек, содержащих диоды Шоттки. Самому не нужно ничего делать. Попробуйте уже сегодня!

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ДВУХБИТНОГО PIN-ДИОДА В СРЕДЕ SYNOPSYS SENTAURUS TCAD | Даниленко

1. Макаров Е. А., Мясников А. М. Приборно-технологическое моделирование с помощью пакета Sentaurus TCAD: учеб.-метод. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. 115 с.

2. Перепеловский В. В., Михайлов Н. И., Марочкин В. В. Разработка электронных устройств в среде Synopsys Sentaurus TCAD: лаб. практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 52 с.

3. Перепеловский В. В., Михайлов Н. И., Марочкин В. В. Введение в приборно-технологическое моделирование устройств микроэлектроники: лаб. практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 49 с.

4. Макарчук В. В., Курейчик В. М., Зотов С. К. Особенности применения системы технологического моделирования TCAD // Инженерный вестн. 2012. Вып. 9. С. 1–7.

5. Окунев А. Ю., Левицкий А. А. Моделирование диодной структуры в среде. URL: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2014/pdf/d03/s24/s24_014.pdf (дата обращения 07.11.2018)

6. Глушко А. А. Приборно-технологическое моделирование в системе TCAD Sentaurus: учеб.-метод. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 64 с.

7. Основы работы в среде приборно-технологической САПР SENTAURUS: учеб.-метод. пособие / Р. П. Алексеев, Е. Н. Бормонтов, Г. В. Быкадорова, А. Ю. Ткачев, А. Н. Цоцорин. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2017. 96 с.

8. SentaurusTM Device User Guide, Version K-2015.06. URL: http://www.sentaurus.dsod.pl/manuals/ data/sdevice_ug.pdf (дата обращения 07.11.2018)

9. Ultra Low Loss Trench Gate PCI-PiN Diode with VF<350mV. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document /5890796/ (дата обращения 07.11.2018)

10. Responsivity Improvement for Short Wavelenghts Using Full-Gated PIN Lateral SiGe Diode. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7731366/ (дата обращения 07.11.2018)

11. Программирование однозатворного PIN диода / Д. В. Щукин, Я. Н. Паничев, Н. И. Михайлов, В. В. Перепеловский, В. В. Марочкин // Сб. стат. VI Всерос. конф. » Электроника и микроэлектроника СВЧ». СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. С. 475–477.

12. Study of Device Physics in Impact Ionisation MOSFET using Synopsys TCAD tools. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7002450/ (дата обращения 07.11.2018)

13. Feasibility Study of Semifloating Gate Transistor Gamma-Ray Dosimeter / Ying Wang, Zhi-Qiang Xiang, Hai-Fan Hu, Fei Cao // IEEE Electron Device Letters. 2015. Vol. 36, No 2. P. 99–101.

14. A Semifloating Gate Controlled Camel Diode Radiation Dosimeter/ Ying Wang, Zhi-Qiang Xiang, Yue Hao, and Cheng-Hao Yu // IEEE Transactions on Electron Devices. 2016. Vol. 63, No 5. P. 2200–2204.

15. Shin-ichi Minami, Yoshiaki Kamigaki. A Novel MONOS Nonvolatile Memory Device Ensuring 10-Year Data Retention after 10’ Erase/Write Cycles // IEEE Transactions on Electron Devices. 1993. Vol. 40, No 11. P. 2011–2017.

16. Новиков Ю. Н. Энергонезависимая память, основанная на кремниевых нанокластерах // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43, вып. 8. С. 1078–1083.

17. Memristive device based on a depletion-type SONOS field effect transistor / N. Himmel, M. Ziegler, H. Mähne, S. Thiem, H. Winterfeld, H. Kohlstedt // Semiconductor Science and Technology. 2017. Vol. 32, No 6. article id. 06LT01. doi: 10.1088/1361-6641/aa6c86

Что такое диод? Определение, конструкция, работа, характеристики и типы диода

Определение : Электронный компонент, сделанный из полупроводникового материала, который позволяет проводить ток только в одном направлении, называется диодом. Это двухконтактное устройство , обычно сформированное путем сплавления полупроводниковых материалов p- и n-типа, каждый из которых имеет основные и неосновные носители.

Давайте сначала посмотрим на основное содержание этой статьи.

Содержание: Диод

  1. Символ
  2. Строительство
  3. рабочая
  4. Уравнение тока диода
  5. Характеристическая кривая
  6. Типы
  7. Ключевые термины

Символ диода

На рисунке ниже показан символ диода с PN переходом:


Конструкция диода

После базового определения приступим к формированию.

Диод в своей основной форме представляет собой устройство с PN-переходом, через которое протекает ток при приложении правильного прямого потенциала. Полупроводниковые материалы p- и n-типа должны быть тщательно скомбинированы, чтобы в них содержалось контролируемое количество донорных и акцепторных примесей. В своей основной форме берется одиночная пластина кремния или германия, которая легирована пятивалентными и трехвалентными примесями в двух своих половинах. Область P обозначает легирование трехвалентной примесью, а область n означает легирование пятивалентной примесью.Или просто, мы можем объединить отдельные материалы p- и n-типа, чтобы сформировать полупроводниковый прибор.

На приведенном ниже рисунке показана структура диода с PN переходом:

Здесь, как мы видим, полупроводниковый материал p-типа объединен с полупроводниковым материалом n-типа, который образует переход. Этот переход известен как PN-переход. На противоположных концах прикреплены два металлических контакта, которые вместе образуют диод с PN переходом. Материал p-типа содержит дырки в качестве основного носителя, а электроны — в качестве неосновного.Напротив, материал n-типа имеет электроны в качестве основного носителя и дырки в качестве неосновного носителя.

Этот p-n переход представляет собой не что иное, как слой неподвижных ионов , называемый обедненным слоем . Когда имеется соответствующий потенциал, в нем отмечается проводящее и непроводящее состояние.

Работа диода

Диод работает без смещения, с прямым смещением и с обратным смещением.

Обсудим вышеупомянутое условие более подробно.Начнем с беспристрастного условия.

  • Несмещенное состояние диода :

Когда на устройство не подается внешний потенциал или напряжение. Тогда это называется несмещенным состоянием диода.

Приведенный ниже рисунок поможет вам лучше понять несмещенное состояние диода.

Здесь материал p-типа сплавлен с материалом n-типа. Это слияние создает соединение. Когда на диод не подается напряжение, большинство носителей заряда i.То есть дырки со стороны p и электроны со стороны n объединяются друг с другом в переходе. Эти носители заряда при объединении генерируют неподвижные ионы, которые истощаются через переход. За счет этого на стыке образуется обедненная область.

Здесь следует отметить, что поток носителей заряда через площадь поперечного сечения известен как диффузия. Следовательно, ток при отсутствии смещения известен как диффузионный ток .

Разность потенциалов в области истощения порождает электрическое поле на ней.Из-за этого электрического поля дальнейшее движение основных носителей заряда не допускается. Поэтому ширина обедненной области фиксирована. Потенциал в области истощения действует как барьер для дальнейшего движения, следовательно, известный как барьер или встроенный потенциал. Однако неосновные носители по-прежнему дрейфуют через область истощения, и ток течет незначительно. Этот очень небольшой ток из-за неосновных носителей известен как дрейфовый ток .

  • Прямое смещение диода :

В состоянии прямого смещения сторона p устройства соединена с положительной клеммой источника питания.А сторона n связана с отрицательным потенциалом аккумулятора. Таким образом, соединение будет смещено вперед.

Ниже приведен рисунок, представляющий схему диодов с положительным смещением:

Когда применяется прямое смещение. Отверстия на стороне p испытывают силу отталкивания от положительного вывода. Точно так же электроны отталкиваются от отрицательной клеммы источника питания. Однако первоначально основные носители с обеих сторон не перемещаются через переход из-за барьерного потенциала.

Но, когда потенциал барьера превышен, основной носитель заряда теперь показывает движение через переход. Это движение носителей заряда после преодоления барьерного потенциала генерирует ток. Этот ток известен как ток большинства. В тот момент, когда этот барьер удален, сопротивление, создаваемое переходом, автоматически становится равным 0. Таким образом, прямой ток теперь начинает течь через устройство.

Примечательно, что барьерный потенциал кремния равен 0.7В, а для германия — 0,3В . Таким образом, после преодоления соответствующего потенциала в случае обоих материалов прямой ток начинает течь через устройство.

  • Состояние обратного смещения диода :

Когда мы обеспечиваем внешний потенциал устройства таким образом, чтобы сторона p была подключена к отрицательной клемме источника питания. И сторона n соединена с положительной клеммой. Тогда говорят, что устройство имеет обратное смещение.

На рисунке ниже показано расположение диода с PN переходом с обратным смещением:

При приложении обратного потенциала отверстия со стороны p испытывают притяжение со стороны отрицательной клеммы.И электроны на стороне n испытывают притяжение от положительной клеммы источника питания. Из-за этого большинство носителей, присутствующих на обеих сторонах, движутся в направлении от стыка. Это увеличивает ширину обедненной области и, следовательно, потенциальный барьер увеличивается.

Переводит устройство в непроводящее состояние. Однако из-за присутствия неосновных носителей как на стороне p, так и на стороне n протекает очень небольшой ток. Этот небольшой ток через устройство известен как обратный ток утечки.Этот обратный ток не зависит от барьерного потенциала и зависит только от температуры и конструкции устройства.

Уравнение тока диода

Ток диода определяется следующим соотношением:

: I D = ток диода

I S = ток обратного насыщения

В D = напряжение на устройстве

T K = температура в Кельвинах

К = 11600 / ƞ

ƞ = коэффициент идеальности колеблется от 1 до 2

С,

Мы также можем написать,

или

Таким образом, при подстановке указанного выше значения в основное уравнение.Получаем,

Это упрощенное уравнение тока диода.

Характеристическая кривая диода

На приведенном ниже рисунке показана характеристическая кривая диода с PN переходом в прямом и обратном смещении:

Область A представляет собой кривую для диода с прямым смещением. В то время как область B показывает кривую для диода с обратным смещением.

Будем считать, что диод изготовлен из кремниевого материала. Следовательно, внешний потенциал, необходимый для преодоления барьерного потенциала, равен 0.7V в его корпусе. Таким образом, мы можем видеть в области прямого смещения, быстрое увеличение тока наблюдается после 0,7 вольт. Это известно как напряжение колена, после которого барьерный потенциал полностью снимается, и устройство начинает проводить ток.

Теперь перейдем к области B, которая представляет состояние устройства с обратным смещением. Как мы уже обсуждали, в случае обратного смещения ширина обедненной области очень велика, как и барьерный потенциал. Таким образом, кривая представляет собой обратный ток насыщения, который течет только из-за движения неосновных носителей заряда через устройство.Этот обратный ток составляет всего менее 1 микроампер для кремниевого устройства.

Еще один примечательный момент заключается в том, что при номинальном обратном напряжении протекает небольшой обратный ток. Но при увеличении обратного напряжения возникает условие, вызывающее пробой перехода диода. Это вызывает немедленное увеличение обратного тока через него.

Типы диодов

В основном они характеризуются принципом действия, обеспечивая различные характеристики терминала и допускающие многократное использование.Ниже приведены различные типы диодов:

Стабилитрон : это тип диода с PN переходом, который работает в условиях обратного смещения. Точнее можно сказать в области разбивки.

Это в основном сильно легированный диод с PN переходом и находит свое применение в регулировании напряжения, защите счетчиков, а также в операциях переключения и ограничения.

Туннельный диод : Туннельный диод, также известный как диод Эсаки, представляет собой плотно легированное устройство с высокой проводимостью.Концентрация примесей в нем меняется в зависимости от нормального диода с PN переходом. Он основан на принципе туннелирования и показывает характеристики отрицательного сопротивления.

Как показывает быстрый отклик, широко используется в качестве усилителя и генератора. Поскольку это слаботочное устройство, широко не используется.

PIN-диод : это трехслойное устройство, в котором внутренняя область расположена между p и полупроводником n-типа. Поскольку внутренний слой обеспечивает высокое удельное сопротивление, он обеспечивает ключ для обработки небольших входных сигналов.

Они широко используются в микроволновых и радиолокационных устройствах.

Варакторный диод : Он также известен как варикап диоды, что представляет собой слово, состоящее из комбинации переменного конденсатора. Это диод с обратным смещением, режим работы которого зависит от переходной емкости. Они широко используются в высокочастотных приложениях.

Фотодиод : Фотодиод — это устройство, которое генерирует ток, когда соответствующая область подвергается воздействию света. Он также работает в режиме обратного смещения.Они широко используются в приложениях обнаружения, демодуляции, коммутации и кодирования.

LED : LED — это сокращенная форма светодиодов. Это устройство, излучающее некогерентный свет из-за приложенного электрического поля. Это диод с прямым смещением. Светодиоды широко используются в цифровых часах, мультиметрах, охранной сигнализации и т. Д.

Лазерный диод : Лазер — это аббревиатура, обозначающая усиление света за счет вынужденного излучения. Они специально разработаны для создания когерентного излучения.Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях и медицине.

Диод Шоттки : Это не диод с PN переходом, поскольку он образован путем слияния металла с полупроводниковым материалом n-типа. Это исключает область истощения. Они широко используются в цифровых компьютерах.

Ключевые термины, относящиеся к диоду

Барьерный потенциал : Это напряжение, генерируемое на переходе в условиях нулевого смещения из-за неподвижных ионов. Также известен как встроенный потенциал.

Напряжение в колене : Напряжение прямого смещения полупроводникового устройства, которое преодолевает барьерный потенциал. После этого напряжения через переход перемещается большое количество носителей заряда. В результате через устройство протекает большой ток. Его значение составляет 0,3 В, для германия и 0,7 В, для кремния.

Напряжение пробоя : При обратном смещении в устройстве наблюдается очень небольшой ток из-за потока неосновных носителей. Однако, если обратное напряжение увеличивается сверх определенного предела.Затем это приводит к полному разрушению соединения. Это напряжение известно как напряжение пробоя.

Пиковое обратное напряжение : Пиковое обратное напряжение (PIV) можно понять по самому названию. Пик означает наивысший или максимум, а обратный означает обратное. Таким образом, это максимальное напряжение в условиях обратного смещения, которое может выдержать устройство.

Итак, мы можем заключить, что ток через полупроводниковый диод зависит от его смещения или приложенного к нему входа.

Что такое стабилитрон? Определение, конструкция, работа, характеристики и применение стабилитрона

Определение : Особый тип диода с PN переходом, который работает в режиме обратного смещения, точнее в области пробоя, известен как стабилитрон. Уровень легирования стабилитрона несколько выше, чем у обычного диода с PN переходом. Чтобы он мог дать резкое напряжение пробоя.

Пробой стабилитрона

был впервые замечен и объяснен американским ученым C.Стабилитрон . Он в основном используется для регулирования напряжения, чтобы поддерживать постоянное напряжение даже при изменении нагрузки.

Содержимое: стабилитрон

  1. Символ
  2. Строительство
  3. рабочая
  4. VI Характеристики
  5. Приложения
  6. Ключевые термины

Обозначение стабилитрона

На приведенном ниже рисунке представлен символ стабилитрона:

Его символ чем-то похож на символ обычного диода.Тем не менее, небольшое изменение наблюдается в символе стабилитрона, который показан изгибами на двух концах вертикальной линии.

Конструкция стабилитрона

На рисунке ниже представлена ​​рассеянная структура стабилитрона:

Здесь N и P субстрат рассеиваются вместе. Область перехода покрыта слоем диоксида кремния (SiO 2 ). В то же время во время строительства вся сборка металлизируется, чтобы обеспечить соединение анода и катода.Слой SiO 2 помогает предотвратить загрязнение переходов. Таким образом, в конструкции используется стабилитрон.

Работа стабилитрона

Стабилитрон работает как обычный диод в режиме прямого смещения. Это означает, что большая часть тока протекает через устройство, когда к нему приложен прямой потенциал. Однако стабилитрон отличается от обычного диода с точки зрения концентрации легирования. Стабилитрон сильно легирован, поэтому его обедненная ширина очень мала.Из-за этого через стабилитрон протекает больше тока, чем через диод с обычным переходом.

Он специально действует в области пробоя в условиях обратного смещения. Стабилитрон показывает два подхода к пробою, пробой стабилитрона и лавинный пробой.

Давайте отдельно разберемся в двух механизмах поломки.

  • Механизм лавинной эвакуации

Лавинный пробой обычно происходит, когда приложенное напряжение обратного смещения высокое.Как мы уже знаем, в состоянии обратного смещения небольшой неосновной ток протекает через нормальный диод. Когда к устройству прикладывается высокое обратное смещенное напряжение, неосновные носители испытывают ускорение и перемещаются с высокой скоростью. Во время своего движения неосновные носители сталкиваются с атомами и генерируют большее количество свободных электронов. Эти свободные электроны порождают еще несколько свободных электронов. Таким образом, из-за этого мультипликативного действия генерируется сильный электрический ток.

Следовательно, мы говорим, что в случае лавинного пробоя требуется высокий потенциал обратного смещения.Этот высокий ток ответственен за необратимое разрушение нормального диода. Но лавинный диод, тщательно изготовленный для работы в области пробоя, выдерживает большой ток, протекающий через него.

  • Механизм пробоя стабилитрона

Этот механизм пробоя наблюдается у сильно легированных диодов. Из-за высокой концентрации примесей ширина обеднения мала. С увеличением обратного потенциала в обедненной области создается сильное электрическое поле.

Поскольку на устройство подается обратный потенциал и напряжение приближается к напряжению стабилитрона. Электроны, присутствующие в обедненной области, используют эту энергию и разделяются с родительским атомом. Тем самым генерируя свободные электроны. Это действие генерирует больше свободных электронов, и, следовательно, их движение вызывает электрический ток через устройство. Таким образом, небольшое увеличение обратного напряжения вызовет немедленное увеличение тока через устройство. Ток, протекающий через устройство, показывает максимальное увеличение до допустимого значения цепи.Этот обратный ток останется постоянным для широкого диапазона обратного потенциала.

Когда стабилитрон работает в области пробоя, он не горит быстро. Однако причина этого в том, что для защиты устройства от избыточного тока требуется некоторая внешняя цепь.

VI Характеристики стабилитрона

На рисунке ниже показана характеристика стабилитрона:

На рисунке представлена ​​кривая для кремниевых и германиевых диодов.Прямая характеристика стабилитрона аналогична нормальному диоду, что хорошо видно на рисунке выше.

В состоянии обратного смещения протекает небольшой обратный ток из-за неосновных носителей заряда. При увеличении обратного напряжения ток увеличивается. Достигается точка, когда переход разрушается и наблюдается резкое увеличение тока без заметного увеличения обратного потенциала. Это напряжение известно как напряжение стабилитрона . Ток через устройство ограничивается с помощью внешнего сопротивления.

Применение стабилитрона

Среди множества применений давайте обсудим некоторые важные применения стабилитрона:

  1. В регулировании напряжения : Регулирование напряжения цепи — это ее способность поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от изменения входного напряжения или тока нагрузки.
    На рисунке ниже представлена ​​схема стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения:

    Здесь R S — токоограничивающий резистор, V S — источник напряжения, а R L — сопротивление нагрузки.R S поглощает колебания напряжения, обеспечивая постоянное напряжение на выходе. Пока напряжение нагрузки не станет меньше напряжения пробоя, стабилитрон не будет показывать проводимость.
    Когда напряжение на нагрузке увеличивается, чем напряжение пробоя, устройство начинает проводить проводимость в области пробоя. Таким образом, в области пробоя поддерживается постоянное напряжение
  2. В режиме переключения : стабилитрон может использоваться для переключения, потому что он показывает резкий переход от низкого к высокому току.Благодаря таким характеристикам переключения он широко используется в компьютерных приложениях.
  3. В защите счетчика : стабилитрон может защитить счетчик от приложенного к нему чрезмерного напряжения. При параллельном подключении стабилитрона к измерителю избыточный ток проходит через стабилитрон, а не через измеритель. Тем самым защищая его от серьезных повреждений.
  4. В схемах ограничения : стабилитрон находит свое применение в схемах ограничения, где пик входного сигнала отсекается.Обычно ограничение выполняется для защиты чувствительных к напряжению устройств от перенапряжений.

Ключевые термины, относящиеся к стабилитрону

Напряжение стабилитрона : Это то напряжение обратного смещения, в котором полностью разрушается переход и через устройство протекает большой ток с постоянным потенциалом.

Обратный ток насыщения : Это ток, протекающий через устройство в условиях обратного смещения из-за потока неосновных носителей заряда.

Импеданс стабилитрона : Импеданс стабилитрона в основном называется динамическим сопротивлением стабилитрона. Он определяется как отношение небольшого изменения напряжения стабилитрона и тока.

Выдается

Итак, можно сделать вывод, что стабилитрон однозначно является устройством обратного смещения. Как и обычный диод в области прямого смещения. Это сильно легированный диод, за счет которого увеличивается проводимость и пробой достигается при низком напряжении.

Что такое диод Ганна? Определение, эффект Ганна, конструкция, работа диода Ганна

Определение : Диод Ганна — это полупроводниковый прибор, состоящий только из материала N-типа.Его также называют переданным электронным устройством . Как и в материале n-типа, электроны действуют как основные носители, и они переносятся из одной долины в другую.

Это устройство с двумя выводами, в основном состоящее из полупроводникового материала, такого как GaAs, , InP, и т. Д. Поскольку эти материалы обладают способностью создавать микроволновые колебания.

Эффект Ганна — основа работы диода Ганна. Он был открыт физиком Дж. Б. Ганном в 1963 году .

Диод Ганна не содержит pn перехода, но он называется диодом из-за двух выводов внешнего приложенного постоянного напряжения. Он обладает характеристикой отрицательного сопротивления, благодаря чему они широко используются в высокочастотных приложениях.

Диоды Ганна обладают способностью генерировать непрерывную мощность в диапазоне нескольких милливатт и частотой около от 1 до 200 ГГц. удерживающая эффективность около от 5 до 15% .

На рисунке ниже показано символическое представление диода Ганна :

.

Что такое эффект Ганна?

В полупроводниковых материалах, таких как GaAs, электроны находятся в низкоскоростном состоянии с большой массой и низкой массой, но в высокоскоростном состоянии.Благодаря приложению достаточного электрического поля эти электроны из состояния с малой массой и высокой скоростью перемещаются в состояние с большой массой.

В этом конкретном состоянии электроны образуют кластер и, таким образом, движутся с одинаковой скоростью. Таким образом вызывается поток тока в виде серии импульсов.

Это называется эффектом Ганна и используется диодами Ганна, поэтому и назван так.

Конструкция диода Ганна

Мы уже обсуждали, что диод Ганна не является диодом с p-n переходом, поскольку он состоит только из полупроводникового материала n-типа.На рисунке ниже представлена ​​конструктивная структура диода Ганна:

.

Здесь слаболегированный полупроводниковый слой n-типа присутствует между двумя сильно легированными материалами n-типа. Средняя часть называется активным слоем. Толщина этой области составляет от нескольких микрон до нескольких сотен микрон.

Конструкция диода Ганна образована путем выращивания эпитаксиального слоя n-типа на подложке n +. Две высоколегированные области обеспечивают лучшую проводимость устройства.

Вся конструкция установлена ​​на проводящем основании, которое действует как теплоотвод для тепла, выделяемого во время работы. Кроме того, другой вывод образован путем соединения золотой пленки поверх верхней поверхности конструкции.

Работа диода Ганна

Работа диода Ганна зависит от эффекта Ганна, о котором мы уже говорили в предыдущем разделе этой статьи. Итак, теперь давайте посмотрим, как на самом деле работает диод Ганна.

Когда на устройство подается напряжение, этот внешний потенциал появляется на активном слое, вызывая поток электронов, присутствующих в этой области.Этот поток основных носителей заставляет ток течь через активную область устройства.

Как только импульс тока начинает проходить внутри активной области, потенциал в этой области падает. Благодаря этому не происходит дальнейшего формирования импульса тока.

Но как только ранее созданный импульс тока достигает другого конца активной области, потенциал снова возрастает, что приводит к генерации другого импульса тока.

Таким образом, частота срабатывания устройства зависит от времени, которое требуется импульсу, чтобы добраться до другого конца, в результате от скорости генерации импульсов.

В отличие от диода с нормальным переходом, диод Ганна состоит из 3 энергетических зон, а именно валентной зоны, зоны проводимости и дополнительной зоны над зоной проводимости.

На рисунке ниже представлена ​​структура энергетических уровней арсенида галлия :

Когда к устройству прикладывается определенное напряжение, электроны в валентной зоне начинают двигаться к зоне проводимости, тем самым позволяя протекать току.

Но когда напряжение еще больше увеличивается, вместо того, чтобы пропускать большой ток, электроны в зоне проводимости перемещаются в сторону энергетической зоны, находящейся над зоной проводимости.

В связи с этим эффект известен как эффект перенесенного электрона. Это происходит потому, что электроны переходят из зоны проводимости в более высокое энергетическое состояние.

В этом конкретном состоянии электроны менее подвижны, следовательно, ток уменьшается с увеличением напряжения. Таким образом, возникает явление отрицательного сопротивления, когда ток уменьшается с увеличением напряжения.

После определенного момента времени, когда приложенное напряжение увеличивается дальше, электроны в состоянии с более высокой энергией получают достаточную энергию и возвращаются в состояние с более низкой энергией.Таким образом, в дальнейшем ток, протекающий через устройство, увеличивается с увеличением приложенного внешнего потенциала.

Характеристическая кривая диода Ганна

На рисунке ниже показана характеристика диода Ганна:

Здесь мы можем четко связать приведенное выше объяснение с показанной кривой. Изначально с увеличением приложенного напряжения ток через устройство также увеличивается.

Однако достигается точка, когда при увеличении напряжения ток через устройство начинает уменьшаться.Точка максимального тока называется пиковой точкой .

Область на кривой, которая показывает уменьшение тока с увеличением напряжения, называется областью отрицательного сопротивления кривой.

Характеристика отрицательного сопротивления также проявляется туннельным диодом, но оба эти типа работают по-разному.

Преимущества диода Ганна

  • Стоимость изготовления диода Ганна невысока.
  • Диоды Ганна
  • отличаются высокой надежностью.
  • Обладает сравнительно низким рабочим напряжением, чем обычные диоды.
  • Его установка в схемах проста.

Недостатки диода Ганна

  • Они менее стабильны.
  • КПД диодов Ганна очень низкий.
  • Иногда шумовые эффекты сильнее у гунновских диодов.

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна

находят применение в генераторах и усилителях, в ультразвуковых детекторах.Они также используются в тахометрах и в системе радиосвязи.

Что такое PIN-диод? Определение, конструкция, работа, характеристики и применение PIN-диода

Определение : PIN-диод является усовершенствованием обычного PN-диода. Это трехслойное устройство, в котором внутренний слой, то есть нелегированный полупроводник, расположен между областями P и N. Таким образом, сделав из него PIN-диод.

Наличие собственной области демонстрирует свойство высокого сопротивления .Из-за этого величина электрического поля также становится большой. Это, в результате, увеличивает генерацию электронных и дырочных пар в этой области. Следовательно, он позволяет работать со слабым входным сигналом.

Это тип фотодетектора, который может преобразовывать световую энергию в ее электрическую форму из-за наличия собственной области. PIN-диод обеспечивает не только высокое сопротивление, но и меньшее значение емкости. Это потому, что мы знаем, что

Как и при добавлении собственной области, расстояние между областями p и n увеличивается.Из приведенного выше выражения ясно, что емкость и расстояние обратно пропорциональны. Таким образом, с увеличением расстояния емкость уменьшается.

Содержимое: ПИН-диод

  1. Символ
  2. Строительство
  3. рабочая
  4. Характеристики
  5. Приложения
  6. Ключевые термины

Обозначение PIN диода

На рисунке ниже представлен символ PIN-диода:

Здесь область p обозначает вывод анода, а область n обозначает вывод катода.

Конструкция PIN-диода

PIN-диод — это трехслойное устройство, состоящее из p-области, n-области и внутренней области. P-область образована легированием полупроводника трехвалентной примесью. А n-область образуется, когда пятивалентная примесь легируется полупроводниковым материалом. Область собственного полупроводника — это не что иное, как нелегированный полупроводниковый материал.

На рисунке ниже представлен обзор конструкции PIN-диода:

PIN-диод формируется двумя способами, т.е.е. либо планарной структурой, либо мезаструктурой.

В случае меза-структуры на внутренней области проявляются (выращиваются) слои полупроводника, которые предварительно легированы. Тем самым генерируется PIN-диод.

В случае планарной структуры на внутреннюю область накладывается узкий (тонкий) эпитаксиальный слой, чтобы сформировать область P +. Точно так же область N + также создается на другой стороне подложки. Внутренняя область предлагает очень высокое удельное сопротивление порядка 0.1 Ом-м .

Работа PIN диода

PIN-диод почти аналогичен обычному диоду с PN-переходом, однако единственным отличием является наличие собственной области. Эта область — не что иное, как область истощения между областями P и N.

Когда на диод не подается внешний потенциал. Носители диффундируют через переход из-за градиента концентрации. Таким образом, формируется обедненная область на переходе NI. Однако толщина в области i больше, чем в области n.Это связано с тем, что уровень легирования в N-области намного выше, чем в I-области. Как мы уже предполагаем, собственная область представляет собой нелегированный полупроводниковый материал.

  • Условие прямого смещения :

В случае, если на диод подается прямое напряжение, носители заряда из области p и n вводятся во внутреннюю область. Это происходит потому, что приложенный прямой потенциал уменьшает ширину истощения. Из-за этого сопротивление, предлагаемое устройством в несмещенном состоянии, начинает уменьшаться из-за прямого смещения.Таким образом, по мере увеличения прямого напряжения большее количество носителей заряда вводится во внутреннюю область.

Таким образом, через устройство образуется большой ток и, как следствие, уменьшается сопротивление. Следовательно, говорится, что в состоянии прямого смещения PIN-диод ведет себя как устройство с переменным сопротивлением.

  • Обратное смещение :

Теперь как обратное напряжение смещения приложено к устройству. Ширина истощения начинает увеличиваться.По мере увеличения обратного напряжения ширина обедненной области увеличивается, поскольку все мобильные носители уносятся прочь из внутренней области. Это конкретное напряжение известно как выходное напряжение. Обычно его значение составляет -2 В.

Устройство работает как конденсатор в состоянии обратного смещения. Здесь области P и N служат двумя параллельными обкладками конденсатора. В случае высокого обратного смещения в p-области видна тонкая обедненная область.

Характеристики PIN-диода

  • Low Capacitance : Как мы уже обсуждали, PIN-диод предлагает более низкое значение емкости из-за большего расстояния между областями p и n.Когда применяется только небольшой обратный потенциал, область истощения полностью истощается. По мере того, как обедненная область истощается, емкость теперь не будет изменяться в зависимости от приложенного потенциала. Из-за наличия небольшого заряда в собственной области.
  • Высокое напряжение пробоя : Из-за наличия собственной области PIN-диод показывает более высокое значение напряжения пробоя. Это так, потому что требуется более высокое напряжение, чтобы разрушить толстую обедненную область.
  • Чувствительность к фотодетектору : обедненная область отвечает за выработку энергии, когда излучение падает на ее поверхность. Наличие собственной области увеличивает площадь поглощения излучения. Следовательно, они широко используются в качестве фотоприемников.
  • Хранение носителей : Это важная характеристика PIN-диода. Внутренняя область увеличивает площадь для хранения носителей. Накопленный заряд в области истощения отвечает за величину тока, протекающего по цепи.Когда на устройство подается прямое смещение, в этом случае устройство демонстрирует характеристики переменного сопротивления. Поскольку сопротивление зависит от входного напряжения. Следовательно, он не производит искажений или исправлений.

Применение PIN-диода

  1. Как фотодетектор : PIN-диод может преобразовывать поглощенный свет в электрическую энергию. Размещение собственной области между p- и n-областями увеличивает область поглощения излучения.
    С увеличением области поглощения излучения повышается и эффективность устройства по выработке электроэнергии. Таким образом, его можно использовать как фотодиод.
  2. Как переключатель радиочастоты : собственная область изолирует p- и n-области диода, из-за чего уменьшается емкость. Емкость устройства должна быть практически незначительной, чтобы его можно было использовать как выключатель.
  3. Как выпрямитель напряжения : PIN-диод может выдерживать высокое обратное напряжение из-за внутреннего слоя.Это приводит к увеличению напряжения пробоя диода. Следовательно, благодаря этому устройство позволяет выпрямлять высокое входное напряжение.

Ключевые термины, относящиеся к PIN-диоду

  1. Сглаживаемое напряжение : Это то обратное приложенное напряжение, при котором носители заряда полностью сметаются из области обеднения. Его значение составляет примерно -2 В.
  2. Время отклика : это время, необходимое устройству для отображения перехода из одного состояния в другое.Или мы можем сказать, время, которое требуется устройству для перехода из проводящего состояния в непроводящее или наоборот.
PIN-диод

имеет более быстрое время отклика. Благодаря этому они широко используются в микроволновых устройствах.

Что такое диод Шоттки? Определение, конструкция, работа, характеристика VI, преимущества, недостатки и области применения диода Шоттки

Определение : Диод Шоттки — это 2-контактный металл-полупроводниковый прибор, который формируется путем диффузии полупроводника n-типа по металлу.Как металл, так и полупроводник n-типа имеют электроны в качестве основных носителей, поскольку в металле присутствует почти ничтожное количество дырок.

Как и в диоде Шоттки, только основной носитель заряда, т.е. электроны, ответственны за проводимость. Следовательно, это униполярный прибор .

Его другие названия: диод с барьером Шоттки или диод с горячим носителем . Причина, по которой эти диоды называются так, заключается в том, что большинство носителей (электроны) дрейфуют из n-области в металлическую область с очень высокой энергией.

Таким образом, называется горячих носителей. и поскольку проводимость обусловлена ​​этими горячими носителями, устройство известно как диод с горячими носителями.

Символ диода Шоттки

На рисунке ниже показано символическое изображение диода Шоттки:

Из рисунка выше видно, что металл образует соединение в качестве анода, а полупроводниковая область образует соединение в качестве катода.

Конструкция диода Шоттки

Конструктивная структура диода Шоттки отличается от конструкции обычного диода с pn переходом.Как мы уже знаем, диод с pn переходом формируется путем слияния полупроводникового материала p-типа с полупроводниковым материалом n-типа, тем самым образуя диод с pn переходом.

Однако для создания диода Шоттки полупроводниковый материал n-типа объединяют с металлом, чтобы получить переход металл-полупроводник .

На рисунке ниже представлена ​​конструктивная структура диода Шоттки:

Как видно из рисунка выше, металл объединяется с полупроводниковым материалом n-типа, образуя диод с горячими носителями.Металлом, используемым для изготовления диода Шоттки, может быть золото, вольфрам, платиновое серебро и т. Д.

На другой стороне перехода металл-полупроводник находится полупроводниковый материал n-типа. Обычно в качестве полупроводникового материала n-типа используется кремний, однако также используется германий.

Металлическая область в структуре действует как анод, а полупроводниковая область n-типа образует катод.

Давайте посмотрим на структурное представление диода Шоттки:

Отсутствие материала p-типа с полупроводниковым материалом n-типа исключает возможность наличия обедненной области.Следовательно, предотвращает накопленные заряды на стыке.

В случае диода Шоттки переход сравнительно более однородный, а устройство обладает большей прочностью, чем диод с точечным контактом.

Работа диода Шоттки

Из приведенного выше обсуждения ясно, что работа диода Шоттки отличается от работы обычного диода. Итак, теперь давайте посмотрим, как происходит проводимость в диоде Шоттки.

Когда металлическая область и материал n-типа образуют соединение, тогда основные носители заряда i.е. электроны быстро перемещаются из n-области в металлическую. Тем самым создается большой поток основных перевозчиков.

Кинетическая энергия этих инжектированных носителей высока по сравнению с электронами в металлической области. Таким образом, они широко известны как горячие носители.

Из-за движения основных носителей заряда от материала n-типа к металлу на стороне n рядом с переходом образуется область, обедненная (свободная) от носителей заряда. Эта область является не чем иным, как поверхностным барьером для дальнейшей проводимости.

На рисунке выше показано формирование поверхностного барьера в диоде Шоттки.

Итак, в этом случае прямое напряжение подается на устройство путем соединения положительной клеммы батареи с металлом, а отрицательной клеммы батареи — с материалом n-типа.

Состояние прямого смещения диода Шоттки показано ниже:

Из-за отталкивания от отрицательной клеммы батареи электроны, присутствующие на стороне n, перемещаются к металлической стороне, преодолевая поверхностный барьер.Это вызывает сильный поток электронов через металлическую сторону.

Однако барьерный потенциал диода Шоттки намного меньше, чем у диода с pn переходом, как в прямом, так и в обратном смещении.

Следовательно, в случае диода Шоттки при таком же подаваемом напряжении, как и у диода с pn переходом, наблюдается значительно большая проводимость. Но это нежелательно при обратном смещении диода Шоттки, поскольку пробой достигается раньше, чем в устройстве с pn переходом.

В состоянии обратного смещения отрицательная сторона батареи соединена с металлом, а положительная сторона образует соединение с материалом n-типа.

Это представлено на рисунке здесь:

При приложении обратного напряжения поверхностный барьер увеличивается, из-за чего прекращается проводимость через устройство.

Однако, поскольку в металлической области присутствует большее количество электронов, чем в материале n-типа, то из-за приложенного обратного напряжения через устройство протекает очень небольшое количество тока.Это называется током утечки.

При увеличении обратного напряжения ток через него тоже увеличивается. Но после определенного напряжения увеличение приложенного потенциала разрушит поверхностный барьер, тем самым повредив диод.

Следует отметить, что в случае диодов Шоттки почти незначительное присутствие дырок в металле уменьшает время обратного восстановления диода. Возникает вопрос, почему это так?

Ответ на поставленный выше вопрос состоит в том, что, как мы уже обсуждали, из-за униполярной природы устройства между двумя областями существует сравнительно меньший барьерный потенциал.Таким образом, он может отключаться быстрее, чем устройство с pn переходом. В результате сокращается время обратного восстановления.

В-I характеристика диода Шоттки

На рисунке ниже представлена ​​характеристическая кривая диода Шоттки:

Здесь ось x показывает приложенное напряжение, а ось y представляет ток, протекающий через устройство. Он демонстрирует барьерный потенциал около от 0,2 до 0,25 В , тогда как в случае кремниевого диода на pn переходе он составляет 0,7 В.

Кроме того, напряжение обратного пробоя в случае диода Шоттки намного меньше, чем у диода с pn переходом.

Преимущества диода Шоттки

  • Обладает низким прямым напряжением включения .
  • Емкость перехода, обеспечиваемая диодом Шоттки, мала.
  • Обладает быстрым обратным временем восстановления t rr .
  • Диоды Шоттки
  • очень эффективны и используются в высокочастотных приложениях.

Недостатки диода Шоттки

  • Напряжение обратного пробоя меньше в случае диода Шоттки.
  • Это дорогое устройство.

Применение диода Шоттки

Они широко используются в высокочастотных устройствах переключения и выпрямления. Диоды Шоттки также используются в детекторах, логических схемах и в цифровых компьютерах и т. Д. Они также находят свое применение в схемах ограничителей и фиксаторов.

Диоды — конструкция, функции, типы, испытания

Диод — это полупроводниковый прибор.Диоды играют важную роль в электронных схемах. Они используются в основном в неуправляемых выпрямителях для преобразования переменного тока в фиксированное постоянное напряжение и в качестве обратных диодов для обеспечения пути прохождения тока в индуктивных нагрузках.

Строительство

Диоды могут быть изготовлены из двух полупроводниковых материалов: кремния и германия. Силовые диоды обычно изготавливаются из кремния. Кремниевые диоды могут работать при более высоких токах и температурах перехода, и они имеют большее обратное сопротивление.

Структура полупроводникового диода и его обозначение показаны на рисунке ниже. Диод имеет два вывода: анодный вывод A (P-переход) и катодный вывод K (N-переход). Когда напряжение на аноде больше положительного, чем на катоде, диод считается смещенным в прямом направлении, и он легко проводит ток с относительно низким падением напряжения. Когда напряжение на катоде больше положительного, чем на аноде, диод считается смещенным в обратном направлении и блокирует прохождение тока. Стрелка на символе диода показывает направление обычного тока, протекающего при проводящем диоде.

Диоды и символ

Функция диодов

Диоды позволяют электричеству течь только в одном направлении. Стрелка символа цепи показывает направление, в котором может течь ток. Диоды — это электрическая версия клапана, и ранние диоды на самом деле назывались клапанами.

Падение прямого напряжения

Электричество расходует немного энергии, проталкиваясь через диод, как если бы человек толкал дверь пружиной.Это означает, что на проводящем диоде имеется небольшое напряжение, оно называется прямым падением напряжения и составляет около 0,7 В для всех обычных диодов, которые сделаны из кремния. Прямое падение напряжения на диоде почти постоянно, независимо от тока, протекающего через диод, поэтому они имеют очень крутые характеристики (график вольт-амперной характеристики).

обратное напряжение

Когда приложено обратное напряжение, идеальный диод не проводит, но все настоящие диоды пропускают очень крошечный ток в несколько мкА или меньше.Этим можно пренебречь в большинстве схем, потому что он будет намного меньше, чем ток, текущий в прямом направлении. Однако все диоды имеют максимальное обратное напряжение (обычно 50 В или более), и если оно будет превышено, диод выйдет из строя и пропустит большой ток в обратном направлении, это называется пробоем .
Обычные диоды можно разделить на два типа: сигнальные диоды, пропускающие малые токи 100 мА или меньше, и выпрямительные диоды, пропускающие большие токи.Кроме того, есть светодиоды (у которых есть своя страница) и стабилитроны (внизу этой страницы).

Подключение и пайка

Подключение диодов

Диоды должны быть подключены правильно, на схеме может быть указано a или + для анода и k или для катода (да, это действительно k, а не c, для катод!). Катод отмечен линией, нарисованной на корпусе. Диоды обозначены своим кодом мелким шрифтом; вам может понадобиться увеличительное стекло, чтобы прочитать это на небольших сигнальных диодах!

Маленькие сигнальные диоды могут быть повреждены нагревом при пайке, но риск невелик, если вы не используете германиевый диод (коды начинаются с OA…), и в этом случае вы должны использовать радиатор, закрепленный на проводе между соединением и корпусом диода. Стандартный зажим «крокодил» можно использовать в качестве радиатора.

Выпрямительные диоды достаточно прочные, и при их пайке не требуется специальных мер предосторожности.

Контрольные диоды

Вы можете использовать мультиметр или простой тестер (аккумулятор, резистор и светодиод), чтобы проверить, проводит ли диод в одном направлении, а не в другом. Лампу можно использовать для проверки выпрямительного диода, но НЕ используйте лампу для проверки сигнального диода, потому что большой ток, пропускаемый лампой, разрушит диод!

Диоды сигнальные (малоточные)

Сигнальные диоды используются для обработки информации (электрических сигналов) в цепях, поэтому они должны пропускать только небольшие токи до 100 мА.

Сигнальные диоды общего назначения, такие как 1N4148, изготовлены из кремния и имеют прямое падение напряжения 0,7 В.

Германиевые диоды , такие как OA90, имеют меньшее прямое падение напряжения 0,2 В, что делает их пригодными для использования в радиосхемах в качестве детекторов, выделяющих аудиосигнал из слабого радиосигнала.

Для общего использования, где величина прямого падения напряжения менее важна, кремниевые диоды лучше, потому что они менее легко повреждаются нагревом при пайке, они имеют меньшее сопротивление при проводимости и очень низкие токи утечки при обратном токе. приложено напряжение.

Защитные диоды для реле

Диод Максимум
Ток
Максимум
Обратное
Напряжение
1N4001 1A 50 В
1N4002 1A 100 В
1N4007 1A 1000 В
1N5401 3A 100 В
1N5408 3A 1000 В

Сигнальные диоды также используются с реле для защиты транзисторов и интегральных схем от кратковременного высокого напряжения, возникающего при отключении катушки реле.На схеме показано, как защитный диод подключается к катушке реле, обратите внимание, что диод подключен «в обратном направлении», поэтому он обычно НЕ проводит. Проводимость возникает только тогда, когда катушка реле выключена, в этот момент ток пытается продолжать течь через катушку и безвредно отводится через диод. Без диода ток не мог бы течь, и катушка произвела бы разрушительный «всплеск» высокого напряжения, пытаясь удержать ток.

Выпрямительные диоды (большой ток)

Выпрямительные диоды используются в источниках питания для преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC), процесс, называемый выпрямлением.Они также используются в других схемах, где через диод должен проходить большой ток.

Все выпрямительные диоды изготовлены из кремния и поэтому имеют прямое падение напряжения 0,7 В. В таблице указаны максимальный ток и максимальное обратное напряжение для некоторых популярных выпрямительных диодов. 1N4001 подходит для большинства цепей низкого напряжения с током менее 1 А.

Технология и структура »Электроника

— краткое изложение или учебное пособие по диоду с барьером Шоттки с указанием его структуры и того, как его можно использовать в радиочастотных схемах, а также в выпрямителях и других электронных схемах.


Учебное пособие по диодам с барьером Шоттки Включает:
диод с барьером Шоттки Технология диодов Шоттки Характеристики диода Шоттки Выпрямитель мощности на диоде Шоттки

Другие диоды: Типы диодов


Базовая структура и технология диода Шоттки могут показаться очень простыми и понятными.

В то время как первые диоды Шоттки были очень простыми, базовая технология была разработана, чтобы позволить как малосигнальные, так и силовые выпрямительные диоды использовать технологию, оптимизированную для каждого приложения.

Сегодня многие диоды включают элементы, в том числе защитные кольца и другие усовершенствования, которые значительно улучшают характеристики в различных областях.

Базовая структура диода Шоттки

Основа диода Шоттки — это металлический полупроводниковый интерфейс, который можно создать разными способами. Это простейший диод с точечным контактом, в котором металлический провод прижимается к чистой поверхности полупроводника N-типа. Этот метод изготовления изредка используется и сегодня, поскольку он дешев, но не особенно надежен и воспроизводим.Фактически формируемый диод может быть либо диодом с барьером Шоттки, либо стандартным PN-переходом, в зависимости от того, как встречаются провод и полупроводник, и от того, как происходит результирующий процесс формирования.

Точечный контакт диод Шоттки

Ранние беспроводные извещатели Cat’s Whisker были изготовлены таким образом, хотя и с использованием кристаллов минералов естественного происхождения, но в этих детекторах было обнаружено, что для получения наилучших результатов провод нужно было аккуратно располагать, и через некоторое время производительность снизилась. отпадать, и требовалось новое положение для уса.

Излишне говорить, что эти ранние методы не получили широкого распространения в наши дни. В настоящее время используются другие, более совершенные и надежные технологии и конструкции диодов Шоттки.

Структура диода Шоттки с вакуумным напылением

Основное производство диодов Шоттки обогнало ранние диоды с точечным контактом, и одним из популярных методов является вакуумное напыление металла на поверхность полупроводника. Эта технология диодов Шоттки дает гораздо лучшие результаты, чем те, которые можно было получить с помощью ранних методов.

Структура диода Шоттки из осажденного металла

Эта структура диода Шоттки является очень простой и более схематичной, чем на практике. Однако он показывает основную технологию «металл на полупроводнике» для диода Шоттки, которая играет ключевую роль в его работе.

Структура диода Шоттки с защитным кольцом

Одна из проблем, связанных с простой технологией диодов из наплавленного металла, заключается в том, что эффекты пробоя заметны по краям металлизированной области. Это происходит из-за сильных электрических полей по краю пластины.Также заметны эффекты утечки.

Чтобы преодолеть эти проблемы, используется защитное кольцо из полупроводника P +, изготовленное с использованием процесса диффузии, вместе с оксидным слоем по краю. В некоторых случаях вместо металла можно использовать силициды металлов.

Защитное кольцо в этой форме диодной структуры Шоттки работает, приводя эту область к лавинному пробою до того, как переход Шоттки будет поврежден из-за большого уровня обратного тока, протекающего во время переходных процессов.

Технология диода Шоттки с защитным кольцом

Эта форма диодной технологии Шоттки используется, в частности, в выпрямительных диодах, где напряжение может быть высоким, а пробой является более серьезной проблемой.Его можно использовать даже для некоторых радиочастотных диодов Шоттки.

Примечания по технологии и структуре диодов Шоттки

В процессе изготовления есть ряд интересных моментов.

  • Наиболее важным элементом производственного процесса является обеспечение чистой поверхности для плотного контакта металла с поверхностью полупроводника, и это достигается химическим путем. Металл обычно наносится в вакууме с помощью испарения или распыления.Однако в некоторых случаях химическое осаждение получает определенную пользу, и используется фактическое гальваническое покрытие, хотя, как правило, оно не поддается контролю в требуемой степени.
  • Когда вместо чистого металлического контакта используются силициды, это обычно достигается осаждением металла и последующей термообработкой с получением силицида. Этот процесс имеет то преимущество, что в реакции используется поверхностный кремний, а фактическое соединение распространяется ниже поверхности, где кремний не подвергается воздействию каких-либо загрязнений.Еще одним преимуществом всей структуры Шоттки является то, что она может быть изготовлена ​​с использованием относительно низкотемпературных технологий и, как правило, не требует высокотемпературных стадий, необходимых для диффузии примесей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.