Основные типы и принцип действия полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Статическая вольтамперная характеристика диода

Вторая группа приборов – специальные типы полупроводниковых приборов. К ним относятся варикапы, магнитодиоды, лазеры и датчики Холла, которые применяются в различных устройствах железнодорожной электроники. Третья группа полупроводниковых приборов – стабилитроны и стабисторы предназначены для стабилизации преимущественно постоянных напряжений сравнительно небольших мощностей. Они же применяются для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений. Четвертая группа – транзисторы, так же как диоды, являются наиболее широко применяющимися приборами, которые позволяют реализовывать самые различные электронные схемы, как маломощные информационные, так и силовые – до мощностей не превышающих нескольких сотен ватт. Для преобразования бóльших мощностей, электрической энергии используется пятая группа приборов – тиристоры. Интегральные микросхемы (ИМС), представляющие 6 группу полупроводниковых приборов, являются элементами, наиболее перспективными для применения в различных областях промышленности, связи и транспорта. За последнее десятилетие осуществляется замена электронных схем, реализованных на дискретных элементах: транзисторах, диодах, резисторах и конденсаторах, на устройства с применением ИМС.

  2 ВОПРОС1.1. Диоды с p-n переходом

Полупроводниковый диод – это элемент, имеющий два вывода, которые называются анод и катод. Функциональным назначением диода является пропускание электрического тока при приложении к нему прямой полярности напряжения (включенное состояние диода) и обеспечение запертого (выключенного) состояния при приложении обратной полярности напряжения. Это свойство односторонней электрической проводимости требуется во многих электронных схемах самого различного назначения. В частности, они являются основным элементом выпрямителей переменного напряжения, применяются в импульсных электронных схемах для переключения тока и напряжения, используются в аналоговых линейных и нелинейных устройствах усиления электрических сигналов и др. Все полупроводниковые диоды можно условно разделить на две основные группы: выпрямительные и специальные.

Свойство односторонней электрической проводимости диода обеспечивается благодаря использованию специальных полупроводниковых кристаллов, обладающих специфическими свойствами. В соответствие со схемой рис.1.1 рассмотрим диоды с p-n переходом и диоды Шоттки, принцип действия которых существенно отличаются друг от друга.

Практические свойства односторонней проводимости диода с p-n переходом могут быть иллюстрированы его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая изображена на рис.1.2. Там же приведено условное изображение диода с обозначением его выводов.

ВАХ диода имеет две функционально различные области. Первая из них – область прямой проводимости, соответствует включенному состоянию диода, когда через него протекает прямой ток. В этом случае полярность напряжения, прикладываемая к нему, соответствует той, которая показана на условном обозначении диода. Другая – область обратной проводимости, соответствует выключенному (непроводящему) состоянию диода и полярность напряжения на его выводах будет обратной.

Рис.1.2. Статическая вольтамперная характеристика диода

Рассмотрим область прямой проводимости ВАХ диода.

Так как объём полупроводника обладает определенным сопротивлением R_пп, то при протекании по нему прямого тока на нем образуется падение напряжения. С учетом этого область прямой проводимости описывается уравнением

                                               (1.1)

Как показано на графике рис.1.6, при протекании по диоду прямого тока I_пр падение напряжения на нем равно U_пр. Для кремниевых диодов усредненное значение прямого падения напряжения реально лежит в пределах от 0,6 до 1 В.

Выражение (1.1) представляет собой нелинейную функцию, математические операции с которой при расчете электронных схем представляют значительные трудности. Поэтому, обычно, ВАХ области прямой проводимости диода представляется упрощенной эквивалентной схемой, показанной на рис.1.7,а, а соответствующая ей ВАХ приведена на рис.1.3.

Здесь дифференциальное сопротивление диода в области прямой проводимости равно

                                        (1.2)

и наравне с напряжением U_д0 является важным параметром диода, определяющим потери мощности при протекании по нему прямого тока.

Рис.1.3. Эквивалентная схема диода (а) и её ВАХ (б)

Рассмотрим область обратной проводимости ВАХ диода. Она характеризуется тем, что при приложении к нему обратного напряжения |U_д| < U_проб, обратный ток через него увеличивается линейно и при |U| = U_обр этот ток: |I_д| = I_обр. Здесь U_проб – напряжение пробоя, при котором ток через диод лавинообразно увеличивается и затем происходит необратимый отказ диода. Поэтому величина обратного напряжения U_обр, которое может прикладываться к диоду должно удовлетворять неравенству U_обр < U_проб, что показано на ВАХ рис.1.2.

Параметры полупроводникового диода существенно зависят от температуры