Полупроводниковые диоды. Типы диодов, принципы работы, параметры и характеристики

1.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Лекция 2
Полупроводниковые диоды
Типы диодов, принципы работы,
параметры и характеристики
То, что мы знаем,— ограниченно, а то, чего мы не
знаем,— бесконечно.
Лаплас
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
1

2.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Принцип работы полупроводникового диода
к
а
Распределение объемных зарядов p-n-перехода при
отсутствии внешнего напряжения
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
2

3.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Принцип работы полупроводникового диода
Процессы в p-n-переходе диода:
а) – при прямом напряжении, б) – при обратном
напряжении
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
3

4.

Полупроводниковые диоды
Тепловой ток
Весна 2020
I 0 (T) I 0 2
(T -T0 )
T
где I0 - значение теплового тока при
комнатной температуре Т0 = 300 К; ΔТ значение приращения температуры,
соответствующее удвоению значения
теплового тока. Значение ΔТ зависит от
материала полупроводника и составляет
примерно 10 К для германия и 7 К для
кремния.
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
4

5.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Вольт-амперная характеристика
(ВАХ) диода
I=I0[exp(Uд/φт) -1]
где Uд - напряжение на p-n-переходе;
φт = кТ/q - тепловой потенциал, равный
контактной разности потенциалов φк
на границе p-n-перехода при
отсутствии внешнего напряжения (при
Т=300 К, φт =0.025 В); к - постоянная
Больцмана; Т - абсолютная
температура; q - заряд электрона.
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
5

6.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Вольт-амперные характеристики
идеального диода
Iпр
Uобр
Iобр
реального диода
Iпр
Uпр Uобр Uпроб
0
A
B
Iобр
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
Uпр
6

7.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Обратная ветвь характеристики
Iобр =I0 +Iген +Iут.
Iут – ток утечки
Iген – ток генерации
для германия Iген/I0 <<1.
для кремния Iген/I0 = 1000
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
7

8.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Прямая ветвь
Iпр
Ge
0
Si
Uпр
Iобр
RБ>>RЭ UБЭ = UД- IRБ .
U = φТ ln(I/IОБР) + IRБ.
При I>>IОБР - линейная зависимость U= IRБ
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
8

9.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Зависимость ВАХ от температуры
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
9

10.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Дифференциальное сопротивление диода
rД = dU/dI = ΔU/ΔI = (mU /mI)ctg
I
IА
A
α
0
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
β
UА
U
10

11.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Статическое сопротивление диода
Rст=UA/IA=(mU/mI)ctg .
I
IА
A
α
0
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
β
UА
U
11

12.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Емкости диода
СД=Сдиф + Сзар+Ск
Сдиф =ΔQ/ΔU - диффузионная емкость
При прямом напряжении
Сд = Сдиф + Ск
При обратном напряжении
Сд = Сзар + Ск
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
12

13.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсный режим работы диода
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
13

14.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Виды диодов
Выпрямительные диоды
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
14

15.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Основные параметры выпрямительных
диодов
Постоянное прямое напряжение Uпр
(постоянное напряжение на диоде при
заданном постоянном прямом токе).
Постоянное обратное напряжение Uобр
(постоянное напряжение, приложенное к
диоду в обратном направлении)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
15

16.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Основные параметры выпрямительных
диодов
Постоянный прямой ток Iпр
(постоянный ток, протекающий через диод в
прямом направлении).
Постоянный обратный ток Iобр
(постоянный ток, протекающий через диод в
обратном направлении при заданном
обратном напряжении)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
16

17.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Основные параметры выпрямительных
диодов
Средний прямой ток Iпр.ср.
(среднее за период значение прямого тока
диода).
Средний выпрямленный ток Iвп.ср.
(среднее за период значение прямого и
обратного токов)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
17

18.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Предельно допустимые параметры:
Максимально допустимое постоянное
обратное напряжение Uобр.max
Максимально допустимый прямой ток
Iпр.max
Максимально допустимая средняя
мощность рассеивания
Pср.max
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
18

19.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Классификация диодов по
допустимой мощности рассеивания
Малой мощности - Iпр до 0.5А
Средней мощности - Iпр 1-5 А
Большой мощности - Iпр 5- 10 А
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
19

20.

Полупроводниковые диоды
Типы корпусов
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
Весна 2020
20

21.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Выпрямительные диоды
Устройство германиевого выпрямительного
диода
1 – корпус
2 – кристалл Ge
3 – p-n переход
4 – стеклянный изолятор
5 – кристаллодержатель
6 - выводы
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
21

22.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Выпрямительные диоды
Пример ВАХ выпрямительного диода
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
22

23.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Высокочастотные диоды
Применяются для выпрямления
токов в широком диапазоне
частот, для модуляции,
детектирования сигналов и
других нелинейных
преобразований.
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
23

24.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Высокочастотные диоды
Основные параметры:
Iпр - Постоянный прямой ток при прямом
напряжении 1В;
Δt- Диапазон рабочих температур;
Iпр.max - Максимально допустимый прямой ток;
СД- Общая емкость диода;
IОБР - Максимально допустимый обратный ток;
UОБР max- Максимально допустимое постоянное
обратное напряжение
fmax- Максимальная рабочая частота
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
24

25.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Основные параметры
- Импульсное прямое напряжение диода
Uпр.и - наибольшее мгновенное значение
прямого напряжения, обусловленное
импульсным прямым током диода заданной
величины;
- Импульсное обратное напряжение диода
Uобр.и - мгновенное значение обратного
напряжения диода
- Импульсный прямой ток Iпр.и
Наибольшее мгновенное значение прямого
тока диода.
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
25

26.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Основные параметры
- Общая емкость диода
СД - значение емкости между выводами диода
при заданном режиме;
tВОС.ПР - Время прямого восстановления диода. –
время, в течении которого происходит
включение диода
tВОС.ОБР - Время обратного восстановления
диода - время переключения диода с заданного
прямого тока на заданное обратное напряжение.
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
26

27.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Примеры характеристик
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
27

28.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Примеры характеристик
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
28

29.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Примеры характеристик
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
29

30.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Импульсные диоды
Устройство германиевого импульсного диода
1- кристалл Ge
2 – вольфрамовая игла
3 – стеклянный корпус
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
4 - выводы
30

31.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Диоды Шоттки
1- Низкоомный n-слой
2- Высокоомный n-слой
3- Запирающий слой
4- Металлический контакт
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
31

32.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Варикап
K
CU C0
K U
1
n
CU – емкость диода при обратном напряжении U
C0 – емкость диода при нулевом обратном
напряжении
K – контактный потенциал
n – коэффициент, зависящий от типа варикапа
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
32

33.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Основные параметры варикапов
Общая емкость варикапа СВ (емкость
варикапа при заданном обратном
напряжении)
Коэффициент перекрытия по емкости
КС=СВMAX/CBMIN (отношение общих емкостей
варикапа при двух заданных значениях
обратного напряжения)
Добротность QB (отношение реактивного
сопротивления варикапа на заданной частоте
к сопротивлению потерь)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
33

34.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Пример вольт-фарадной
характеристики варикапа (Д902)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
34

35.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Пример характеристики добротности
варикапа (Д902)
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
35

36.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
36

37.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Зенеровский пробой
Uст < 5 В
Лавинный пробой
Uст > 5 В
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
37

38.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Основные параметры
Номинальное напряжение
стабилизации Ucт
Напряжение на стабилитроне при
протекании номинального тока
Ток стабилизации Iст
Ток, протекающий через стабилитрон в
области стабилизации
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
38

39.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Основные параметры
Дифференциальное сопротивление
стабилитрона rдиф
rДИФ
ΔU СТ
ΔI CT
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
39

40.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Основные параметры
Температурный
коэффициент
напряжения стабилизации (ТКН)
U
ст
ΔU СТ
U СТ.НОМ ΔT
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
40

41.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Предельно допустимые параметры
Максимально допустимый ток
стабилизации Iст.max
Минимально допустимый ток стабилизации
Iст.min
Максимально допустимый прямой ток
Iпр.max
Максимально допустимая мощность
рассеивания Pmax
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
41

42.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Примеры характеристик
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
42

43.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Примеры характеристик
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
43

44.

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабилитроны
Примеры характеристик
Пример
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
44

45. Стабисторы

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабисторы
I пр
I ст max
U обр. max I ст min
U пр
I обр
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
U ст
45

46. Стабисторы

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Стабисторы
R
+
Uвх
Uст
Rн
-
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
46

47. Ограничительные диоды - супрессоры

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Ограничительные диоды - супрессоры
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
47

48. Основные параметры ограничительных диодов

Полупроводниковые диоды
P имп.max
Основные параметры
ограничительных диодов
t вкл.
I обр.max
U обр.max
U откр
Весна 2020
I откр
U огр. имп.
I пр.имп.max
U пр.имп.max
K огр = U огр.имп.max/ U откр
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
48

49. Пример схемы включения

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Пример схемы включения
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
49

50. Пример работы ограничителя

Полупроводниковые диоды
Весна 2020
Пример работы ограничителя
U
UВХ
UВЫХ
UОГР
t
ХНУРЭ Факультет КИУ
Кафедра ЭВМ тел. 70-21-354
50

51. Домашнее задание

• Привести примеры современных диодов
рассмотренных типов, их параметры и
характеристики
Круглое невежество — не самое большое зло:
накопление плохо усвоенных знаний еще хуже.
Платон