"Разновидности и классификация полупроводниковых приборов" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Полупроводниковый резистор - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, построенный на полупроводнике, равномерно легированном примесями. В зависимости от вида примеси и от конструкции резистора различают: линейные резисторы, варисторы, терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы.

Линейный резистор - полупроводниковый резистор, в котором используется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия. Его удельное электрическое сопротивление мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора практически постоянно в большом диапазоне напряжений и токов и они широко используются в интегральных микросхемах.

Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. Изготавливаются из карбида кремния.

Один из основных параметров варистора - коэффициент нелинейности е, определяемый как отношение сопротивления постоянному току R к сопротивлению переменному току Rд:

Е= R / Rд =(U / I) / (dU / dI).

Значения е = 2...6 для различных варисторов.

Варисторы малоинерционны. Используются в маломощных стабилизаторах напряжения, цепях автоматического регулирования усиления и полосы пропускания, а также в мониторах для стабилизации параметров кадровой и строчной разверток.

Терморезистор - полупроводниковый резистор, принцип действия которого основан на использовании зависимости электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Используются два типа терморезисторов: термистор - его сопротивление падает с ростом температуры, и позистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры.

Основной параметр терморезистора - это температурный коэффициент сопротивления

Для терморезисторов, выпускаемых промышленностью, б = 0,3...0,66.

Терморезисторы широко используются для стабилизации режима электронных устройств, в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации и т. д.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности.

Тензорезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость сопротивления от механических деформаций. Важной характеристикой тензорезистора является его деформационная характеристика - зависимость относительного изменения сопротивления от относительной деформации, где l длина рабочего тела тензорезистора.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n-перехода).

Дискретный диод помещен в стеклянный, металлический или керамический корпус.

В таблице 1 приведена классификация диодов в зависимости от свойств р-n-перехода.

Таблица 1

Свойство p-n-перехода	Название диода	Применение
Униполярная проводимость	Низкочастотный выпрямительный диод	Источники питания
Вч и свч выпрямительные диоды	Детекторы, измерительные схемы
Нелинейность ВАХ	Преобразовательный диод	Смесители, умножители, модуляторы
Импульсный диод	Импульсные схемы
Лавинный пробой	Стабилитрон	Стабилизаторы напряжения
Туннельный эффект	Туннельный диод	Усилители, генераторы, переключатели
Барьерная емкость	Варикап	Параметрические схемы, генераторы
Зависимость тока от облучения	Фотодиод	Фотогенераторы, преобразователи
Излучательная рекомбинация	Светодиод	Индикаторы, источники света

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n-перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей - базой (Б).

В большинстве случаев дискретные выпрямительные диоды являются плоскостными, причем р-n-переход германиевых диодов создают исключительно методом сплавления, а для изготовления кремниевых диодов используют сплавной и диффузионный методы. Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используют электронно-дырочные переходы с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1...2 А/мм2.

Кремниевые диоды сохраняют работоспособность при более высоких температурах до 125...150 С, а германиевые теряют свои свойства при температурах, превышающих 85С. Кремниевые диоды из-за низкой собственной электропроводности выдерживают максимально допустимое обратное напряжение до 1500 В, тогда как германиевые диоды - лишь 400...500 В. Однако у кремниевых диодов больше падение напряжения (до 2 В) при прямом смещении, чем в германиевых (менее 1 В).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика.

Отличия реальной ВАХ от теоретической:

1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т. е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)С; 2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

При одном и том же значении напряжения ток через германиевый диод выше, чем через кремниевый. Это объясняется меньшей шириной запрещенной зоны в германии, чем в кремнии.

Повышается концентрация неосновных носителей при повышении температуры, то повышается обратный ток Iобр.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

_ постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр;

_ максимально допустимое обратное напряжение Uобр max, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

_ постоянный обратный ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении Uобр max;

_ средний выпрямленный ток Iвпср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре нагрева;

_ максимально допустимая мощность Pmax, рассеиваемая диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока Iвпср диоды делятся на маломощные (менее 0,3 А), средней мощности (0,3...10 А) и большой мощности (более 10 А). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

А) если Uобр.>Uобр. доп., то используется последовательное соединение (рисунок 4.4,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами Rш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. Rш=(0,10,2)Rобр. Промышленностью выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение Uобр таких столбов лежит в пределах 2...40 кВ; Б) если Iпр.>Iпрдоп., то применяется параллельное соединение диодов. При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением Rдоб = (510)Rд. прям.

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускают в виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Выпрямительные полупроводниковые диоды являются низкочастотными и способны работать на частотах 50...105 Гц (силовые диоды - на частотах 50 Гц).

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных режимах и поэтому должны иметь малую длительность переходных процессов. Основной параметр ? быстродействие, т. е. время переключения диода из открытого состояния в закрытое и наоборот.

При переключении прямого напряжения Uпр. на обратное Uобр. рассасывание носителей происходит не мгновенно, а характеризуется временем восстановления восст. обратного сопротивления (рисунок 4.5). При отпирании диода подается импульс прямого тока Iпр, начинается накопление подвижных носителей, длительность которого характеризуется временем установления уст прямого сопротивления.

Стабилитроны ? это кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким возрастанием обратного тока в точке пробоя. Напряжение на нем сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Принцип действия диода основан на использовании лавинного пробоя.

За счет высокой концентрации примесей и узкого перехода лавинный пробой наступает при низких обратных напряжениях. Так как рассеиваемая мощность мала, лавинный пробой не переходит в тепловой.

Выпускаются промышленностью:

А) стабилитроны общего назначения, которые используются в схемах стабилизации источников питания, ограничителях напряжения; Б) прецизионные - с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения; В) импульсные - для стабилизации постоянного и импульсного напряжения; Г) двуханодные - в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях напряжения различной полярности; Д) стабисторы - для стабилизации малых значений напряжений и как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 4.6,а. На рисунке 4.6,б изображен параметрический стабилизатор напряжения, принцип работы которого заключается в том, что при изменении напряжения Е изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке практически не меняется.

Построим линию нагрузки E = IСТ Rб + UСТ на вольт-амперной характеристике стабилитрона. При IСТ = 0 UСТ = Е, при UСТ = 0 IСТ =E/Rб.

Соединим эти точки. При увеличении Е линия нагрузки сдвинется параллельно влево, рабочая точка (точка пересечения линии нагрузки с ВАХ) смещается вниз, т. е. ток через стабилитрон увеличится. Излишек напряжения падает на балластном сопротивлении Rб, а напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке останется тем же.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

А) напряжение стабилизации UСТ; Б) минимальный IСТ min и максимальный IСТ mах токи стабилизации; В) максимально допустимая рассеиваемая мощность Рmах ; Г) дифференциальное сопротивление

Rдф = dUCТ / dICТ

Д)температурный коэффициент напряжения (ТКН) - отношение относительного изменения UCT к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации..

У современных стабилитронов напряжение стабилизации лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабилизации от 1 мА до 2 А. Значение IСТ min = 1...10 мА ограничено нелинейным участком (начало стабилизации) характеристики стабилитрона, значение IСТ mах = 50...2000 мА - допустимой температурой полупроводника (началом теплового пробоя).

Для стабилизации низких напряжений до 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации примерно постоянно и для большинства стабилитронов составляет 0,5...200 Ом. Температурный коэффициент может быть положительным у высоковольтных стабилитронов и отрицательным - у низковольтных, в области напряжений около 5 В его значение близко к нулю.

Принцип действия варикапа основан на зависимости барьерной емкости р-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап представляет собой управляемую емкость. Варикапы также называются параметрическими диодами и варакторами. На рисунке 4.7 приведена зависимость емкости варикапа от приложенного обратного напряжения.

Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению.

Варикапы изготавливаются из кремния. Используются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Чаще всего применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

Здесь R1 включен для того, чтобы добротность контура не понижалась от влияния R. Cр - разделительная емкость, чтобы постоянное напряжение не проходило на катушку. Изменяя с помощью R обратное напряжение Uобр, можно менять резонансную частоту fрез контура.

В основу работы диода положен туннельный эффект.

Диод построен на основе вырожденных полупроводников. Концентрация примесей 1021 см-3, поэтому диод имеет очень узкий р-n переход.

Уровень Ферми смещается в р-области в валентную зону, в n-области - в зону проводимости. Энергетические зоны перекрываются, носители переходят в другую энергетическую зону, оставаясь там основными, без затраты дополнительной энергии, поэтому диоды малоинерционны. Кроме того, диоды обладают высокой температурной стабильностью и противорадиационной устойчивостью.

Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 4.9. ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления (аб). Туннельный эффект имеет место при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны (участок г0аб). На участке бв - диффузия.

Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. Применяются для усиления, генерации, преобразования сигнала.

Обращенные диоды - это диоды с концентрацией примесей (1019 см-3) меньше, чем у туннельных. Энергетические уровни не перекрываются, уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р-области и дном зоны проводимости n-области, и туннельный эффект сохраняется только при обратном напряжении. Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 4.10. Здесь на участке 0г имеет место туннельный эффект, а на участке 0бв - диффузия.

Используются диоды в схемах для индикации и детектирования слабых сигналов, в переключательных схемах, детекторах.

В основе работы диода Шоттки используется выпрямляющий контакт (п. 2.9.1), металл-полупроводник, который изготавливается из качественного кремния с молибденом, нихромом, золотом, платиной или алюминием.

Особенности диода Шоттки:

А) работает на основных носителях, отсутствует инжекция неосновных носителей, диффузионная емкость около нуля, выше быстродействие, так как оно определяется только барьерной емкостью; Б) прямое напряжение меньше, чем у выпрямительных диодов, примерно равно 0,4 B; В) прямая ветвь вольт-амперной характеристики строго экспоненциальная; Г) имеет меньше разброс параметров; Д) обладает большей надежностью и высокой удароустойчивостью; Е) имеет хорошие теплоотводящие свойства.

Эти особенности определяют эффективность применения диодов Шоттки в высокочастотных аналоговых и цифровых схемах.

Применяются для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов в сантиметровом и миллиметровом диапазоне. Используется точечный р-n переход, который имеет малую площадь. В отличие от низкочастотных диодов, он имеет коаксиальный вывод. Смесительный диод используется в супергетеродинных приемниках для преобразования сигналов СВЧ в промежуточную частоту, детекторные - для детектирования сигналов СВЧ, выделения сигнала низкой частоты из модулированного высокочастотного. Параметрические диоды используются в параметрических усилителях. Умножительные диоды - разновидность варикапов - применяются в умножителях частоты.

В таблице 4.2 приведены условные графические обозначения диодов.

Таблица 4.2

Наименование	Обозначение
Выпрямительный диод
Стабилитрон
Туннельный диод
Обращенный диод
Варикап
Диод Шоттки
Двусторонний стабилитрон

Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от освещения. При достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:

I=-( I_нас+ I_ф)=- I_нас - qcB SФ

Т. е. ток не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света.

Для увеличения чувствительности фотодиода может использоваться эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода следует отнести, во-первых зависимость М от интенсивности света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0,01... 0,2 %), так как коэффициент умножения М сильно зависит от напряжения.

Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать предельной рабочей частотой (частота модуляции света, на которой амплитуда фотоответа уменьшается до 0,7 от максимальной), постоянной времени фотоответа (определяемой по времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до максимального, при прямоугольном импульсе света), сдвигом фаз между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.

В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу ; временем их полета через область объемного заряда p-n-перехода; RC-постоянной. Время диффузии носителей через базу определено как:

=W /2 D_p

Время полета носителей через область объемного заряда (шириной d) можно оценить как

= d/V_max,

Где V_max - максимальная скорость движения носителей в электрическом поле, которая при больших полях не зависит от напряженности электрического поля в следствии уменьшения подвижности в силовых полях.

Высоким быстродействием обладают фотодиоды на основе барьера Шоттки. В типичной структуре такого диода через тонкую полупрозрачную пленку металла и поглощается в основном в области объемного заряда полупроводника. Следовательно, инерционность обуславливается только временами _ i и _rc.

Малое значение обуславливается узкой областью объемного

Заряда, а небольшое значение получается за счет того, что удельное сопротивление металла много меньше, чем полупроводника, и соответственно меньше. Основными переносчиками тока через контакт в этом случае являются дырки полупроводника, которые практически мгновенно рекомбинируют с электронами в металле.

Энергетической характеристикой излучающих диодов (светодиодов) является квантовая эффективность, которая определяется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к числу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эта величина теоретически может достигать 100%, практически она порядка 0,1...1%. Это объясняется большой долей без - излучательных переходов в общем рекомбинационном процессе и малостью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением температуры вероятность излучательной рекомбинации растет и квантовая эффективность увеличивается.

Отличительными особенностями светодиодов по сравнению с обычными источниками света являются малые размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие и большой срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем автоматики, световых табло, оптронов.

"Разновидности и классификация полупроводниковых приборов" - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Похожие статьи