Электронно-дырочный переход

 

Электронно-дырочный переход ( p-n переход ) – это область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости, т.е. один полупроводник n-типа, другой – p-типа. Работа большинства ПП основана на использовании одного или нескольких p-n переходов.

К p-n переходу может быть приложено прямое или обрат-ное напряжение. Прямое напряжение – это напряжение, при котором к области p приложено положительное напряжение, а к области n – соответственно отрицательное (рисунок 2.2). Соот-ветственно, при обратном напряжении – полярность обратная: к области p приложен «-», а к области n – «+».

+ U      p     n      -U

Прямое напряжение

- U      p     n      +U

Обратное напряжение

Рисунок 2.2 – Полярности напряжений на p-n переходе

В зависимости от полярности приложенного напряжения, сопротивление перехода будет меняться. Упрощённого говоря – при приложении прямого напряжения p - n переход сужается и его сопротивление становится меньше. И наоборот: при обрат-ном напряжении переход становится шире, а его сопротивление становится больше.

Физические процессы при этом таковы, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода I = f ( U ) имеет вид, изображённый на рисунке 2.3.

Для обычного проводника ВАХ имеет вид прямой про-порциональности, показанный на рисунке штриховой линией, что соответствует закону Ома U=IR.

Для математического описания ПП в виде формул обычно используется идеализированная функция ВАХ в виде экспоненты. Однако в реальных приборах она часто бывает далека от идеальной, что будет показано далее на примерах реальных ВАХ.

 

Рисунок 2.3 – ВАХ p-n перехода

 

 

Рассмотрим график ВАХ. Она состоит из двух ветвей: прямой ветви (при U_пр, I_пр) и обратной (при U_пр, I_пр).

В прямой ветви, как видно из графика, сопротивление перехода сначала (при малых напряжениях) относительно вели-ко, но при возрастании напряжения становится всё меньше (линия всё круче уходит вверх).

В обратной ветви сопротивление перехода большое, затем (участок 1-2) оно уменьшается, отличаясь от идеальной ВАХ. При дальнейшем увеличении обратного напряжения наступает пробой p-n перехода.

При повышении обратного напряжения происходит рез-кое возрастание обратного тока, характеризующее пробой p-n перехода (участок 2-4).

Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. Электрический пробой (участок 2-3) является обратимым процессом. Это означает, что он не приводит к повреждению p-n перехода и при снижении напряжения его свойства сохраняются. Электрический пробой может быть лавинным и туннельным. При этом пробое образуются допол-нительные носители заряда, что вызывает резкое возрастание тока.

Тепловой пробой (участок 3-4) возникает за счет интен-сивной термогенерации носителей заряда при недопустимом повышении напряжения. Процесс развивается лавинообразно, так как увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает повышение обратного тока и, следова-тельно, еще больший разогрев участка p-n перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Возможность теплового пробоя учитываются указани-ем в справочнике.

Рисунок 2.4 – ВАХ p-n перехода при разных температурах

При увеличении температуры токи через переход возрас-тают (рисунок 2.4). Особенно это заметно для обратного тока.

 

Изменение ВАХ p-n перехода, а следовательно и режи-мов работы электронных схем при изменении температуры является одной из основных проблем при проектировании схем на ПП.

Полупроводниковые диоды

 

Общие сведения

 

Полупроводниковый диод (далее просто «диод») – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (рисунок 2.5). По аналогии с радиолампами электро-ды называются анод (вывод от области p) и катод (от области n).

 

анод       p     n      катод

Рисунок 2.5 – Структура диода

 

Таким образом, рассматривая ВАХ перехода, все её участки, мы, фактически, уже рассматривали устройство диода.

Рассмотрим далее основные типы диодов.

 

Выпрямительные диоды

 

Рисунок 2.6 – Полупроводниковые выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды применяются для выпрямле-ния переменного тока низкой частоты (до 10 кГц). Их работа основана на свойстве p-n перехода иметь малое сопротивление при приложении прямого напряжения и большое сопротивление при приложении обратного напряжения. Условное изображение выпрямительных диодов и их фото показаны на рисунке 2.6.

 

Условное обозначение диода как бы символизирует стрелку, указывающую направление тока, текущего через диод. Для непрофессионала это понятно так: в одну сторону диод свободно пропускает ток, в другую – не пропускает совсем. Однако из характеристик на рисунках 2.3 и 2.4 понятно, что это не совсем так. Даже в прямом направлении при малых напряже-ниях сопротивление диода достаточно велико и лишь потом ста-новится малым. Реальная ВАХ диода показана на рисунке 2.7. Характерным является прямое напряжение 0, 4-0, 7 В – именно при этом напряжении сопротивление диода резко уменьшается, диод «открывается».

Обратите внимание: в справочниках на графиках часто используют разный масштаб для прямой и обратной ветвей, так как обратный ток значительно меньше и, в противном случае, не был бы ясно виден на графике. На прямой ветви ток отсчитыва-ется в мА, а на обратной – в мкА. В связи с этим в точке 0 график имеет характерный изгиб.

Рисунок 2.7 – Реальная ВАХ выпрямительного диода

Выпрямительные диоды – самый распространённый вид диодов и, когда говорят «диод», то по умолчанию имеют в виду именно «выпрямительный диод».

Выпрямительные диоды по отечественному ГОСТу обозначаются буквой Д, например: КД109. Пример маркировки можно видеть и на рисунке 2.6 – КД2994А.

 

Некоторые основные справочные параметры выпрями-тельных диодов:

- прямое напряжение (U _пр);

- обратное напряжение (U _обр);

- прямой ток (I _пр);

- обратный ток (I _пр);

- полоса пропускания (максимальная рабочая частота, f).

 

Рассмотрим схемы выпрямителей на диодах. Простейшая схема имеет название «Однополупериодный выпрямитель». Схема и временные диаграммы показаны на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя

 

 

Если на вход подать синусоидальный переменный сигнал, то на выход (на нагрузку R_н) будет проходить только та половина сигнала, которая имеет положительную полярность. Отрицательная полуволна будет проходить очень слабо, так как диод всё же, даже при обратном включении, будет иметь хоть и большое, но не бесконечное сопротивление.

Недостаток схемы очевиден: фактически при этом теряет-ся половина мощности сигнала, что явно неэффективно, хотя в некоторых случаях это может быть и не так важно.

 

Гораздо лучше использовать двухполупериодный вы-прямитель. На рисунке 2.9 изображена мостовая схема выпря-мителя из 4-х диодов.

Это наиболее распространённая схема выпрямления, используемая в простых блоках питания.

В этом случае видно, если проанализировать схему, что открывается то одна, то другая пара диодов. Таким образом, ток проходит в течение обоих полупериодов. Ток такой формы называется пульсирующим. Совет для запоминания схемы: пара диодов направлена к «+» выходного напряжения, вторая пара – от «-».

Выпускаются промышленно выпрямительные блоки, состоящие из 4-х диодов в одном корпусе, что является очень удобным. Они обозначаются буквой Ц – например: КЦ405.

Рисунок 2.8 – Схема и временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя

Uвх

Uвых

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: