« poprzedni punkt  następny punkt »


4. Diody półprzewodnikowe

Definicja 6.8 Dioda półprzewodnikową nazywamy dwu zaciskowy element półprzewodnikowy wykorzystujący złącze p-n.

Ze względu na technologie wykonania dzieli się je na diody ostrzowe i diody warstwowe, jak pokazano na rys. 6.12.

Rys.6.12 Budowa diody ostrzowej i diody warstwowej

Złącze p-n diody ostrzowej (rys.6.12a) wykonuje się przez wtopienie elektryczne ostrza metalowego do półprzewodnika typu n. W procesie zgrzewania tworzy się pod ostrzem mikroobszar typu p. Na granicy tego obszaru powstaje złącze p-n. Główną cechą tych diod jest bardzo mała powierzchnia złącza (rzędu 10-3 ¸ 10-4 mm2) i związana z tym nieznaczna pojemność złączowa. Z tego powodu można je stosować w zakresie wielkich częstotliwości.

Diody warstwowe wykonuje się w technologii stopowej i dyfuzyjnej. Najbardziej rozpowszechniona jest technika dyfuzyjna zwłaszcza epitaksjalno-planarna (rys. 6.12b). Na podłożu krzemowym silnie domieszkowanym typu n+ osadza się cienką warstwę epitaksjalną o słabszym domieszkowaniu tego samego typu. Warstwę epitaksjalną pokrywa się dwutlenkiem krzemu SiO2, jako powłoką zabezpieczającą. Następnie przez specjalnie przygotowane okno w SiO2 wprowadza się domieszkę dającą obszar typu p. Na to nakłada się kontakt metalowy.

Z punktu widzenia użytkownika najważniejszy jest podział diod związany z ich zastosowaniem. Wyróżnia się: diody prostownicze, diody uniwersalne, diody impulsowe, diody stabilizacyjne, diody pojemnościowe, fotodiody, diody świecące i inne. Symbole tych diod pokazane zostały na rys. 6. 13.

Rys. 6.13. Symbole graficzne diody: a) symbol ogólny, b) dioda tunelowa, c) dioda stabilizacyjna, d) dioda pojemnościowa, e) fotodioda, f) dioda świecąca

Poniżej zostaną omówione wybrane rodzaje diod.

Diody prostownicze stosuje się głownie w układach prostowniczych urządzeń zasilających, przekształcający prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. Dioda spełnia zatem funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się właściwość polegającą na dużej różnicy zdolności przewodzenia w kierunku wstecznym i kierunku przewodzenia. Najczęściej są to diody warstwowe krzemowe.

Rys. 6.14. Charakterystyka diody prostowniczej i jej aproksymacja

Właściwości diody najlepiej obrazuje charakterystyka prądowo-napięciowa rys. 6.14a, będąca charakterystyką złącza p-n. W rozważaniach przybliżonych można ją aproksymować odcinkami prostych jak na rys. 6.14b.:

     I = 0 dla U < UT0       dla U > UT0(6.14)     

gdzie: RF jest rezystancją diody w kierunku przewodzenia (nachylenie charakterystyki).

Stąd otrzymuje się równanie diody w kierunku przewodzenia o postaci:

     UF = UT0 + IF RF dla U > UT0(6.15)     

Napięcie progowe UT0, poniżej którego prąd ma bardzo małą wartość wynosi: (0,6 ¸ 0,8) V dla diod krzemowych i (0,2 ¸ 0,3) V dla diod germanowych. Oprócz napięcia progowego do punktów charakterystycznych krzywej należy napięcie przebicia UBR. Maksymalne napięcie wsteczne określa się jako:

     UBRmax = 0,8 UBR(6.16)     

Ze względu na praktyczne zastosowania diod prostowniczych, ważną rolę odgrywają wartości graniczne prądów i napięć.

Diody uniwersalne stosuje się głównie w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy i w ogranicznikach. Diody te charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć (rzędu kilkuset woltów) i prądów (rzędu kilkuset miliamperów), a częstotliwość ich pracy nie może przekraczać kilku MHz. Oprócz tych parametrów granicznych istotne są również parametry małosygnałowe wchodzące w skład schematu zastępczego złącza p-n. Jako diody uniwersalne stosuje się obecnie głównie planarne diody krzemowe małej mocy.

Diody stabilizacyjne (zwane diodami Zenera) stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł odniesienia. Wykorzystuje się ich pracę na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 6. 15) w zakresie przebicia. Wskutek przebicia lawinowego lub przebicia Zenera następuje szybki wzrost prądy przy niezmienionym prawie napięciu.

Rys. 6.15. Charakterystyka diody stabilizacyjnej i jej schemat zastępczy

Napięcie stabilizacji Uz (napięcie Zenera) produkowanych diod wynosi od trzech do kilkuset woltów. Napięcie pracy może się zatem zmieniać od Uzmin do Uzmax. Ten zakres napięcia stabilizacji jest ograniczony zagięciem charakterystyki ora dopuszczalnymi stratami mocy Ptmax.

Ważnymi parametrami diod stabilizacyjnych są:

współczynnik stabilizacji
     (6.17)     

rezystancja dynamiczna
     (6.18)     

Diody impulsowe są przeznaczone do przełączania napięć i prądów oraz formowania impulsów elektrycznych. W układach spełniają najczęściej rolę kluczy (przełączników). Powinny się charakteryzować małą rezystancją w kierunku przewodzenia i dużą w kierunku wstecznym oraz małą bezwładnością elektryczną przy przełączaniu (krótkim czasem przełączania). Jako diody impulsowe stosowane są diody ostrzowe, osiągające czasy przełączania rzędu kilku nanosekund. W nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych wykorzystuje się epitaksjalno-planarne złącza p-n domieszkowane złotem oraz złącza m-p (diody Schottky'ego) o czasie przełączania mniejszym od 1 ns.

W diodach pojemnościowych wykorzystuje się zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem napięcia. Pracują one zawsze przy wstecznym kierunku polaryzacji. Charakterystyka pojemnościowo-napięciowa złącza p-n pokazana została na rys. 6.16.

Rys. 6.16. Charakterystyka diody pojemnościowej

Zakres wykorzystania diody jest ograniczony pojemnością minimalną Cmin i pojemnością maksymalną Cmax. Pojemność Cmin wynika z napięcia przebicia złącza, a pojemność Cmax jest określona przez wzrost konduktywności dynamicznej diody. Pojemności C0 = Cmax diod wynoszą od kilku do kilkudziesięciu pikofaradów. Diody pojemnościowe stosuje się w układach automatycznego dostrajania, powielania i modulacji częstotliwości, w układach modulatorów amplitudy i we wzmacniaczach parametrycznych.

Parametry wszystkich rodzajów diod zależą w bardzo znacznym stopniu od temperatury.


« poprzedni punkt  następny punkt »