5. Элементы аналоговых схем. Лекция 9

реклама
5. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ
СХЕМ
 Школа Н.Ф.
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»
«АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Лекция №9 2004 г.
5.2. Полупроводниковые диоды
Диодом называют полупроводниковый прибор с одним
электрическим переходом и двумя выводами.
В основе работы большинства полупроводниковых диодов лежат
процессы, происходящие в р-п переходе, причем в реальных
диодах, как правило, используются несимметричные р-п
переходы.
Электронно-дырочный
переход
является
основным элементом диода, и ВАХ
р-п
перехода описывается выражением:
 qU d
I d  I S [exp
 kT

IS –тепловой ток (ток
насыщения),
Id,Ud - ток и напряжение в
р-п переходе


1
]
,



Статическая
математическая
модель
рп-перехода
Графическое изображение полупроводникового диода
(p-n-перехода)
и
его
универсальная
(линеаризованнаяная малосигнальная) модель по
переменному току приведены на рис. 1.
I
+
V
RB
Д
iCB
CB
icd
Cd
rd
id
-
+
Ud
iут
Rc
V
Рис.1. Универсальная эквивалентная схема замещения диода
1RB – объемное сопротивление
полупроводника (обычно 0< RB<
100 Ом);
2RC – омическое сопротивление
утечки перехода ( RC > 1 М Ом);
3rd – нелинейное сопротивление,
соответствующее p-n-переходу.
Сопротивление диода rd описывается
следующим выражением:
dU d
k T

T
rd 


,
dI d qI d  I S  I d  I S
где IS – ток насыщения диода;
q – заряд электрона, равный 1.6 10-19 Кл;
k – постоянная Больцмана, равная1.38 1023 Дж/ K;
T – абсолютная температура, К;
4.СB – нелинейная барьерная емкость
перехода, определяемая выражением
D
CB 
n
(VZ Ud )
пр и Ud  VZ ,
. где D – коэффициент пропорциональности (0.5 10-12 <
D < 5 10-12),
VZ – контактная разность потенциалов (0.2 < VZ < 0.9
B);
n – коэффициент качества перехода ( 0 < n < 1).
5. Cd – нелинейная диффузионная емкость
перехода, значение которой зависит от тока
перехода Id в соответствии с выражением
q
Cd 
( I d  I S ),
2 kT f
ггде IS, q, k, T определены ранее,
f означает присущую диоду граничную частоту
( 1 МГц < f < 10 ГГц).
Динамическая
математическая
модель
рп-перехода
I  i ут  I d  icd  iCB ,
V  I  R U 0 ,
B d
Ud
i ут 
,
Rc
I d  I S exp[ qU d /  T ,
dU d
icd C d
,
dt
dU d
iCB C B
,
dt
q
Cd 
( I d  I S ),
2 kT f
D
CB 
,
n
( V Z U d )
ВАХ реальных диодов и р-п переходов
близки друг к другу, но не одинаковы.
Отличия наблюдаются как на прямой, так
и на обратной ветви.
Это объясняется тем, что при анализе
процессов в р-п переходе не учитывают:
•сопротивления
полупроводниковых
слоев, прилегающих к переходу,
•размеры кристалла и перехода.
Наличие
в
полупроводниковом
кристалле
высокоомной
области
базы,
которая
характеризуется сопротивлением Rб, приводит к
тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем в р-п
переходе.
Учет размеров кристалла и перехода важен при
анализе обратного тока диода.
В реальных диодах необходимо учитывать,
что обратный ток диода складывается из трех
составляющих:
•теплового тока Is,
•тока термогенерации Iд,
•тока утечки Iy.
Температурная зависимость параметров и
характеристик диодов
• Температурный коэффициент напряжения
диода
dU
мВ
d
dT
 2
0
К
.
• Температурное изменение обратного тока
Iобр.
• Ge –диоды: удваивается на каждые 7-10
0С;
• Si –диоды: удваивается на каждые 8-12
0С;
Классификация диодов
ДИОДЫ
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ
НЧ
ВЧ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ИМПУЛЬСНЫЕ
Классификация диодов
СПЕЦИАЛЬНЫЕ
Стабилитроны(зенеровский пробой)
Туннельные,
обращенные
Фотодиоды
Светодиоды
Варикапы
и варакторы
(емкость)
СВЧ- диоды
Многослойныединисторы
Тиристоры
Классификация диодов
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ
Технология
изготовления
Сплавные
Диффузионные
Эпитаксиальные
Конструктивное
исполнение
Плоскостные
Точечные
Система обозначений диодов:
буквенно -цифровой код
Буква:
подкласс
прибора
Цифра:
номер
разработки
Буква:
параметр
1
2
3
4
5
элемент элемент элемент элементэлемент
Полупроводниковы
й материал:
1 или Г- Ge
2 или К- Si
3 или А – GaAs
4 или И – соедин. In
Цифра:
параметр,
назначение,
принцип
2
элемент
подкласс
прибора
Д
Выпрямительные, импульсные
Ц
Выпрямительные столбы
В
И
А
С
Г
Л
О
Н
У
Варикапы
Туннельные
СВЧ
стабилитроны
Генераторы шума
Излучающие оптоэлектронные
Оптопары
Диодные тиристоры
Триодные тиристоры
УГО диодов
Условное
графическое
обозначение
выпрямительного
полупроводникового
диода и структура приведены на рис.
Электрод диода, подключенный к области Р,
называют анодом, а электрод, подключенный
к области N, — катодом.
КД100 до 0,3А;
КД200 от 0,3А до 10А;
КД300 свыше 10А.
Основные электрические параметры
выпрямительных диодов,
статические
• падение напряжения Uпр на диоде при
некотором значении прямого тока Iпр;
• обратный ток Iобр при некотором значении
обратного напряжения Uобр;
• среднее значение прямого тока Iпр.ср;
• импульсное обратное напряжение Uобр.и.
Основные электрические параметры
выпрямительных диодов, динамические
• время нарастания прямого тока tнар;
• время рассасывания
неосновных носителей
заряда в базе диода tрас;
• время
восстановления
сопротивления;
tвос
обратного
• предельная частота без снижения режимов диода
fmах.
t вос   р

I пр
 ln 1 

I
обр





t рас  0.35  р
р- время жизни неосновных носителей заряда в базе
диода.
В настоящее время наибольшее распространение
получили кремниевые выпрямительные диоды,
которые имеют следующие преимущества:
• во много раз меньшие (по сравнению с
германиевыми) обратные токи при одинаковом
напряжении;
• высокое значение допустимого обратного
напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то
время как у германиевых диодов оно находится в
пределах 100...400 В;
• работоспособность кремниевых диодов
сохраняется при температурах от —60 до +150 °С,
германиевых — лишь от —60 до +85 °С.
Диоды с барьером Шотки
Для выпрямления малых напряжений высокой
частоты широко используются диоды с барьером
Шотки (ДШ). В этих диодах вместо pn-перехода
используется контакт металлической поверхности
с полупроводником.
Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов
с р-п-переходом по следующим параметрам:
• более низкое прямое падение напряжения;
• имеют более низкое обратное напряжение;
• более высокий ток утечки;
•почти полностью отсутствует заряд обратного
восстановления.
Импульсные диоды
КД400
Основными
признаками,
отличающими
высокочастотные и импульсные диоды от
других диодов, являются:
КД500
• малое время жизни неравновесных зарядов;
КД600
КД700
КД800
КД900
•малая площадь р-п перехода.
Для уменьшения инерционности
необходимо уменьшать:
диодов
•барьерные емкости;
• время жизни неравновесных носителей
заряда.
Основные электрические параметры
импульсных диодов
• Параметры, связанные с вентильным эффектом,
аналогичны
параметрам
выпрямительных
диодов;
• емкость диода Сд (единицы пФ);
• максимально допустимый импульсный ток через
диод;
• максимальное импульсное прямое напряжение;
• время восстановления обратного сопротивления
диода (от долей наносекунд до долей
микросекунд).
Стабилитрон
полупроводниковый
диод,
работающий в режиме лавинного
пробоя.
При
обратном
смещении
полупроводникового диода возникает
электрический
лавинный
пробой
перехода.
При этом в широком диапазоне
изменения тока через диод напряжение
на нем меняется очень незначительно.
КС156А
Uст=5,6 В –стабилитрон;
КС113 Uст=1,3 В - стабистор
Основные электрические параметры
стабилитронов
• напряжение стабилизации Uст при токе Iст,
• температурный коэффициент напряжения
стабилизации ТКН;
• Допустимая мощность Рст;
• допустимый ток через стабилитрон Iст.доп;
• дифференциальное сопротивление
стабилитрона rд.
Туннельный диод
Диоды с высокой степенью легирования
эмиттера и базы называют туннельными.
Их ВАХ существенно отличаются от
ВАХ обычных диодов: в туннельном
диоде отсутствует вентильный эффект;
в
области
небольших
прямых
напряжений на ВАХ имеется так
называемый «падающий» участок с
отрицательным
дифференциальным
сопротивлением. .
3И201И- 50мА;
АИ301Г – 5 мА
Основные электрические параметры
туннельных диодов
• пиковый ток максимума,
• отношение тока пика к току
впадины,
• общая емкость в точке минимума.
Варикап
- это полупроводниковый диод, в котором
используется
барьерная
емкость
р-пперехода.
Эта емкость зависит от приложенного к
диоду
обратного
напряжения
и
с
увеличением его уменьшается.
Добротность барьерной емкости варикапа
может быть достаточно высокой, так как она
шунтируется
достаточно
высоким
сопротивлением диода при обратном
смещении.
КВ117А- 26,4-39,6 пФ;Qс=180.
Основные электрические параметры
варикапов
• его начальная емкость Со,
• добротность Qc,
• коэффициент
перекрытия
емкости Кс.
по
Фотодиод
- это полупроводниковый диод, в котором
используется открытый р-п-переход для
генерации неосновных носителей (фототок)
при обратном смещении.
Светодиод
- это полупроводниковый
диод, в котором используется
открытый р-п-переход для
генерации
светового
излучения
за
счет
рекомбинации электронов и
дырок
(фотонная
рекомбинация).
АЛ307Иоранжевый
Тиристоры
ОПТРОНЫ
Скачать