Коротка довідка
Електро-дірковий перехід (p-n перехід) – це перехідний шар між двома областями напівпровідника з різною електропровідністю, в якому існує дифузійне електричне поле.Діоди - це напівпровідникові пристрої, основою яких є p-n перехід. В основі застосування напівпровідникових діодів лежить ряд їх властивостей, таких як асиметрія вольт-амперної характеристики, пробою електро-діркового переходу, залежність бар'єрної ємності від напруги і т.д.
Використовувана властивість переходу
- Випрямний - асиметрія вольт-амперної характеристики
- Стабілітрон - пробій
- Варикап – бар'єрна ємність
- Імпульсний – перехідні процеси
Випрямлювальні діоди
Випрямні діоди призначені для перетворення змінного сигналу на постійний.Розглянемо принцип дії найпростішого однонапівперіодного випрямляча на напівпровідниковому діоді.
Опис роботи
При надходженні від первинного джерела змінної напруги, діод буде відкритий на позитивній напівхвилі і закритий негативною. В результаті на півхвилі через діод і опір навантаження протікатиме струм. конденсатор при цьому заряджається до значення, близького до пікового. При зменшенні напруги у вхідному ланцюзі діод замикається. При цьому конденсатор починає розряджатися через опір навантаження.Недоліком є те, що пряма напруга сильно залежить від опору навантаження і має велику амплітуду пульсацій. Тому такі випрямлячі застосовуються тільки при зарозумілих навантаженнях. Для формування Імпульсів застосовуються амплітудні обмежувачі, які можуть бути послідовними та паралельними. У послідовних діодних обмежувачах діод включається послідовно з опором навантаження.
Варикапи
Варикап - напівпровідниковий діод, що використовується як електрично керована ємність.
Ці параметричні діоди працюють у зворотному напрямку, від якого залежить бар'єрна ємність. Таким чином, варикапи є конденсаторами змінної ємності, керованої не механічно, а електрично, при зміні зворотної напруги.
Варикапи застосовуються головним чином налаштування коливальних контурів. Найпростіша схема включення варикапа в коливальний контур малюнку.
Опис роботи
Налаштування коливального контуру на резонансну частоту може здійснюватися двома способами. По-перше, за допомогою варіювання частоти до контуру змінної вхідної напруги Uвх. По-друге, за рахунок зміни частоти власних коливань Wо, яка обумовлена індуктивністю та ємністю коливального контуру. Змінюючи величину зворотного напруги Uобр., можна регулювати ємність варикапа, отже й змінювати резонансну частоту контуру. Конденсатор Cp є розділовим. Він необхідний для запобігання шунтуванню варикапа індуктивністю.Стабілітрони
Стабілітрон - це напівпровідниковий діод, який використовується для стабілізації напруги.
Ділянка, що відповідає електричному пробою Uпроб. на якому напруга слабо залежить від струму, є робітником. При використанні стабілітрону для стабілізації постійної напруги, його включають паралельно навантаженню. Найчастіше стабілітрон працює в такому режимі, коли напруга джерела нестабільна, а опір навантаження Rн постійно. Для встановлення та підтримки правильного режиму стабілізації в цьому випадку опір Rогр. має мати певне значення. Для виключення температурного дрейфу напругу використовують з'єднаний послідовно діод. Подібні діоди називаються термокомпенсованими стабілітронами.
Імпульсні діоди
Імпульсні діоди мають малу тривалість перехідних процесів і призначені для роботи як комутуючі елементи. Існують різні типи імпульсних діодів: сплавні, точкові мезадіоди, діоди Шоттки.Імпульсні діоди широко використовують як комутують елементів, тобто. пристроїв, що мають два стійкі стани: «відкрито», коли опору приладу мало і «закрито», коли велике.
При використанні діода в якості ключа можуть комбінуватися різні діодні і діодно-транзисторні схеми, призначені для роботи в цифровій апаратурі.
В ув'язненні
Перепрошую за малюнки, елементи схем не за гостем (їх співвідношення), але думаю для наочного прикладу зійде.PS: чи варто розповісти про транзисторів?
1. Загальна ємність діода З д (частки пикофарада – кілька пикофарад).
2. Максимальна імпульсна пряма напруга U ін. max.
3. Максимально допустимий імпульсний прямий струм I ін. max.
4. Час встановлення прямої напруги діода t вуст – інтервал часу від подачі імпульсу прямого струму на діод до досягнення заданого значення прямої напруги на ньому (долі нс – частки мкс).
5. Час відновлення зворотного опору діода t ос - інтервал часу, що пройшов з моменту проходження струму через нуль (після зміни полярності прикладеної напруги) до моменту, коли зворотний струм досягне заданого малого значення (порядку 0,1 I, де I - струм при прямому напрузі; t ос – частки нс – частки мкс).
Наявність часу відновлення зумовлено зарядом, накопиченим у основі діода при інжекції. Для замикання діода цей заряд може бути «ліквідований». Це відбувається за рахунок рекомбінацій та зворотного переходу неосновних носіїв заряду в емітер. Останнє призводить до збільшення зворотного струму. Після зміни полярності напруги протягом деякого часу t 1 змінюється мало і обмежений лише опором зовнішнього ланцюга. Тимчасова діаграма зміни струму через діод при підключенні зворотної напруги наведено малюнку 2.14. Після закінчення часу t 1 концентрація
Мал. 2.14. Зміна струму через діод під час підключення зворотної напруги. Умовне позначення діода Шотки
неосновних носіїв заряду межі переходу дорівнює рівноважної, але у глибині бази ще є нерівноважний заряд. З цього моменту зворотний струм діода зменшується до статичного значення. Зміна його припиниться в останній момент повного розсмоктування заряду, накопиченого основою.
У швидкодіючих імпульсних ланцюгах широко використовуються діоди Шотки, у яких перехід виконано з урахуванням контакту метал – напівпровідник. У цих діодів не витрачається час на накопичення та розсмоктування зарядів у основі, їх швидкодія залежить тільки від швидкості процесу перезарядки бар'єрної ємності. Вольт-амперна характеристика діодів Шотки нагадує характеристику діодів на основі р-n переходів. Відмінність полягає в тому, що пряма гілка в межах 8-10 декад прикладеної напруги становить майже ідеальну експоненційну криву, а зворотні струми малі (частки - десятки наноампер). Конструктивно діоди Шотки виконуються у вигляді пластини низькоомного кремнію, на яку нанесена високоомна епітаксійна плівка з електропровідністю того ж типу. На поверхню плівки вакуумним напиленням нанесений шар металу.
Діоди Шотки застосовують також у випрямлячах великих струмів та у логарифмуючих пристроях. Умовне позначення діода Шотки наведено на рис. 2.14.
Напівпровідникові стабілітрони.Напівпровідникові стабілітрони, звані також опорними діодами, призначені для стабілізації напруги. Їхня робота заснована на використанні явища електричного пробою р-n переходу при включенні діода у зворотному напрузі.
Механізм пробою може бути тунельним, лавинним чи змішаним. У низьковольтних стабілітронів (з низьким опором бази) найімовірніший тунельний пробій. У стабілітронів із високоомною базою (порівняно високоомних) пробою носить лавинний характер. Матеріали, що використовуються для створення р-n переходів стабілітронів, мають високу концентрацію домішок. У цьому напруженість електричного поля р-n переході значно вище, ніж в звичайних діодів. При відносно невеликих зворотних напругах в р-n переході виникає сильне електричне поле, що викликає електричний пробій. У цьому режимі нагрівання діода не носить лавиноподібного характеру, тому пробій не переходить у тепловий. На малюнку 2.15 наведено вольт-амперні характеристики стабілітрону КС510А при різних температурах.
Мал. 2.15. Вольт-амперні характеристики стабілітрону
Правила з оформлення Питань на Держстандарти 2012 (ЄС-08):
1. Оформляти у форматі .doc (Word2003); у крайньому випадку – .docx (Word2007/2010).
2. Встановити у файлі на аркуші поля 0.7 см на кожну сторону, книжкова орієнтація.
3. Повинні чітко виділятися абзаци приблизно 1см (Формат\Абзац\Перший рядок: Відступ, 1см)
4. Текст упорядкувати по ширині, картинки – по центру.
5. Увесь текст має бути 14 шрифтом Times New Roman (без ущільнення або розрідження шрифту).
6. Міжрядковий інтервал – Одинарний, можна варіювати від 0.9 до 1.2 заповнення сторінки (Одинарний = Точно: 16пт).
7. Кожне питання бажаноповинен займати 1 або 2 сторінки тексту (з картинками або без), але НЕ БІЛЬШ 3 (трьох) сторінок (якщо великі картинки).
8. КОЖНЕ питання має починатися з нової сторінки, використовуйтеCtrl+ Enterдля переходу на нову сторінку Word.
9. Назва питання з номером виділяється жирною з підкресленням, 14 шрифт.
10. У тілі питання потрібні слова (визначення) можна виділяти жирним, але не курсивом і не підкресленим і не регістром.
11. Питання бажаномає займати оптимальне місце сторінці, тобто. заповнювати сторінку повністю. Для цього можна варіювати міжрядковий інтервал від 0,9 до 1,2 (виходячи з установки Одинарний).
12. Позначення (літери, символи) на зображенні бажаноповинні бути 14 розміру (тобто як текст у тілі питання), але НЕ МЕНШЕ, ніж у 2 рази менше від 14 розміру шрифту.
13. Кожна картинка (малюнок) має бути підписана.
14. Колір картинок не відіграє ролі, якщо текст не має прив'язки до кольору.
15. Картинки мають бути чіткими, мати читальні позначення.
16. Для всіх картинок у меню «Обтікання текстом» вибрати «У тексті», в окремих випадках (маленький або сильно витягнутий по вертикалі малюнок) можна «Навколо рамки» і присунути картинку до лівого або правого поля аркуша.
17. У окремих випадках допускається не підписувати назву картинки (якщо маленька, напр. УДО діода, etc.).
18. Картинка може містити назву малюнка (рис.2.12, остання сторінка)
19. Не потрібно вставляти номери сторінок на аркуші.
20. Тематика знайденого матеріалу має абсолютно збігатися з назвою питання, чи багато води лити не треба.
Усі пункти правил мають практичну користь, неодноразово перевірялися та є обов'язковими; дозволять продуктивно редагувати, а згодом і скочувати зібраний нами матеріал. (подробиці? – у личку) by ZX
1.10 Імпульсні діоди
Імпульсний діод- Це напівпровідниковий діод, що має малу тривалість перехідних процесів і призначений для застосування в імпульсних режимах роботи.
Імпульсні режими - це такі режими, коли діоди перемикаються з прямої напруги на зворотне через короткі проміжки часу, порядку часток мікросекунди, при цьому важливу роль тут відіграють перехідні процеси. Основне призначення імпульсних діодів - робота як комутують елементів. Умови роботи імпульсних діодів зазвичай відповідає високому рівню інжекції, тобто відносно великим прямим струмам. Внаслідок цієї властивості та параметри імпульсних діодів визначаються перехідними процесами.
Однією з перших було розроблено конструкцію точкового імпульсного діода (рис. 2.11). Точковий діод складається з кристала германію, припаяного до кристалотримача, контактного електрода у вигляді тонкого дроту та скляного балона. Особливістю точкових діодів є великий опір бази, що призводить до збільшення прямої напруги на діоді.
Мал. 2.11. Конструкція імпульсного діода:
1 – кристал напівпровідника; 2 – кристалотримач; 3 – припій; 4 – контактна пружина; 5 – скляний корпус; 6 – підступна трубка; 7 – зовнішні висновки
У зв'язку з недоліками точкових діодів вони практично повністю витіснені імпульсними діодами, виробництво яких ґрунтується на сучасних продуктивних та контрольованих методах формування p-n-переходів (планарної технології, епітаксійного нарощування). Основним вихідним напівпровідниковим матеріалом при цьому є кремній, а іноді арсенід галію.
Для прискорення перехідних процесів у кремнієвих імпульсних діодах і зменшення значення часу відновлення зворотного опору цих діодів у вихідний кремній вводять домішка золота. Ця домішка забезпечує появу у забороненій зоні кремнію енергетичних рівнів рекомбінаційних пасток та зменшення часу життя неосновних носіїв.
В даний час більшість конструкцій має металокерамічний, металоскляний або металевий корпус із стрічковими висновками.
Розглянемо процес перемикання такого діода під впливом нього прямокутного імпульсу (рис. 2.12).
При прямому напрузі дільниці відбувається інжекція носіїв з емітерної області в базову та його накопичення там. При зміні полярності напруги на зворотну в перший момент величина зворотного струму буде значною, а зворотний опір діода різко зменшиться, так як накопичені в базі неосновні носії під дією напрямку напруженості електричного поля, що змінилося, почнуть рухатися в бік p-n-переходу, утворюючи імпульс зворотного струму. У міру переходу їх в емітерну область, їх кількість зменшиться і через деякий час зворотний струм досягне нормального значення, а опір діода у зворотному напрямку відновиться до нормальної величини.
Мал. 2.12. Перехідні процеси в імпульсному діоді
Процес зменшення накопиченого заряду в основі називається розсмоктуванням, а час, протягом якого зворотний струм змінюється від максимального значення до встановленого, називається часом відновлення зворотного опору. Час відновлення зворотного опору – одне із найважливіших параметрів імпульсних діодів. Чим воно менше, тим діод краще. Для поліпшення властивостей імпульсних діодів вихідний напівпровідник вибирають з малим часом життя носіїв заряду (для інтенсивнішого процесу рекомбінації в основі), а сам p-n-перехід роблять з малою площею, щоб знизити величину бар'єрної ємності переходу.
Висновки:
Імпульсні діоди працюють у режимі електронного ключа.
Тривалість імпульсів може бути дуже мала, тому діод повинен дуже швидко переходити з одного стану до іншого.
Основним параметром, що характеризує швидкодію імпульсних діодів є час відновлення зворотного опору.
Для зменшення застосовують спеціальні заходи, що прискорюють процес розсмоктування неосновних носіїв заряду на основі.
Вимогам, що пред'являються імпульсним діодам, добре задовольняють діоди на основі бар'єру Шоттки, які мають дуже малу інерційність завдяки відсутності інжекції та накопичення неосновних носіїв заряду в базі.
Універсальні та імпульсні діоди
Універсальні (високочастотні) діоди застосовуються для перетворення високочастотних сигналів. Імпульснінапівпровідникові діоди призначені переважно для роботи в та імпульсних режимах (перетворення імпульсних сигналів). Ці діоди характеризуються мінімальними значеннями реактивних параметрів, що досягається завдяки спеціальним конструктивно-технологічним заходам.
Одна з основних причин інерційності напівпровідникових діодів пов'язана з дифузійною ємністю (див. § 3.7, 3.8). Для зменшення часу життя використовується легування матеріалу (наприклад, золотом), що створює багато рівнів пасток у забороненій зоні, що збільшують швидкість рекомбінації.
Різновидом універсальних діодів є діод із короткою базою. У такому діоді довжина бази менша за дифузійну довжину неосновних носіїв. Отже, дифузійна ємність визначатиметься не часом життя неосновних носіїв у основі, а фактичним меншим часом перебування (часом прольоту). Однак здійснити зменшення товщини бази за великої площі р-n-переходу технологічно дуже складно. Тому діоди з короткою базою при малій площі є малопотужними.
В даний час широко застосовуються діоди з p-i-n-структурою, В якій дві сильнолеговані області р-і n-типу розділені досить широкою областю з провідністю, близькою до власної (i-область). Заряди донорних та акцепторних іонів розташовані поблизу кордонів. i-області. Розподіл електричного поля у ній у ідеальному разі вважатимуться однорідним (на відміну звичайного p-n-перехода). Таким чином, i-область з низькою концентрацією носіїв заряду, але має діелектричну проникність можна прийняти за конденсатор, «обкладками» якого є вузькі (через велику концентрацію носіїв в р- І n-областях) шари зарядів донорів та акцепторів. Бар'єрна ємність p-i-n-діода визначається розмірами i-Шару і при досить широкій i-області від прикладеної постійної напруги практично не залежить.
Особливість роботи р-i-n-діода полягає в тому, що при прямому напрузі одночасно відбувається інжекція дірок з p-області та електронів з n-області в i-область. У цьому його прямий опір різко падає. При зворотній напрузі відбувається екстракція носіїв з i-області у сусідні області. Зменшення концентрації призводить до додаткового зростання опору i-області порівняно з рівноважним станом. Тому для p-i-n-діода характерне дуже велике відношення прямого та зворотного опорів, що важливо при використанні їх у перемикальних режимах.
Як високочастотні універсальні діоди використовуються структури з бар'єрами Шотки і Мотта. У цих приладах процеси прямої провідності визначаються лише основними носіями заряду. Таким чином, у аналізованих діодів відсутня дифузійна ємність, пов'язана з накопиченням і розсмоктуванням носіїв заряду в базі, що визначає їх хороші високочастотні властивості.
Відмінність бар'єру Мотта від бар'єру Шотки полягає в тому, що тонкий i-шар створений між металом Мі сильно легованим напівпровідником, так що виходить структура M-i-n. Увисокоомному i-Шаре падає все прикладене до діода напруга, тому товщина збідненого шару -області дуже мала і не залежить від напруги. І тому бар'єрна ємність практично не залежить від напруги та опору бази.
Найбільшу робочу частоту мають діоди з бар'єром Мотта і Шотки, які на відміну р-n-переходу майже накопичують неосновних носіїв заряду основу діода під час проходження прямого струму і тому малий час відновлення (близько 100 пс).
Різновидом імпульсних діодів є діоди з накопиченням заряду (ДНЗ) або діоди з різким відновленням зворотного струму (опір). Імпульс зворотного струму цих діодах має майже прямокутну форму (рис. 4.2). При цьому значення може бути значним, але має бути надзвичайно малим для використання ДНЗ швидкодіючих імпульсних пристроях.
Отримання мінімальної тривалості пов'язані з створенням внутрішнього поля на основі близько збідненого шару р-n-переходу шляхом нерівномірного розподілу домішки. Це поле є гальмуючим для носіїв, що прийшли через збіднений шар при прямій напрузі, і тому перешкоджає відходу інжектованих носіїв від межі збідненого шару, змушуючи їх компактніше концентруватися поблизу кордону. При подачі на діод зворотної напруги (як і в звичайному діоді) відбувається розсмоктування накопиченого в базі заряду, але при цьому внутрішнє електричне поле сприятиме дрейфу неосновних носіїв до збідненого шару переходу. У момент, коли концентрація надлишкових носіїв на межах переходу спадає до нуля, що залишився надлишковий заряд неосновних носіїв у основі стає дуже малим, отже, виявляється малим і час спадання зворотного струму до значення .
Варикапи
Варикапомназивається напівпровідниковий діод, що використовується як електрично керована ємність з досить високою добротністю в діапазоні робочих частот. У ньому використовується властивість р-n-переходу змінювати бар'єрну ємність під впливом зовнішньої напруги.
Значення добротності варикапу на низьких частотах 
;
на високих частотах – 
Температурний коефіцієнт ємності 
, де DТі D- Зміни температури та ємності варикапа.
Для підвищення добротності варикапа використовують бар'єр Шотки; ці варикапи мають малий опір втрат, оскільки як один із шарів діода використовується метал.
Добротність коливальної системихарактеристика резонансних властивостей системи, що показує, скільки разів амплітуда вимушених коливань при резонансі перевищує амплітуду за його відсутності. Чим вище добротність коливальної системи, тим менше втрати енергії у ній період.
Основне застосування варикапів - електрична перебудова частоти коливальних контурів. Залежність його ємності від напруги відображає вольт-фарадна характеристика, подібна до залежності бар'єрної ємності. p-n-Переходу від прикладеної до нього зворотної напруги. В даний час існує кілька різновидів варикапів, що застосовуються у різних пристроях безперервної дії. Це параметричні діоди, призначені для посилення та генерації НВЧ-сигналів, і множинні діоди, призначені для множення частоти в широкому діапазоні частот. Іноді в помножувальних діодах використовується дифузійна ємність.
