Теорія електричних і електронних кіл (стр. 7 из 10)
Iр-n=Iобр=Iдиф+Iдр Iдр= I0.
Цей струм малий по величині оскільки пов'язаний з неосновними носіями заряду, концентрація яких мала. Таким чином, p-n переходу володіє односторонньою провідністю.
При зворотному зсуві концентрація неосновних носіїв заряду на межі переходу дещо знижується в порівнянні з рівноважною. Це приводить до дифузії неосновних носіїв заряду з глибини p і n-областей до межі p-n переходу. Досягнувши її неосновні носії потрапляють в сильне електричне поле і переносяться через p-n перехід, де стають основними носіями заряду. Дифузія неосновних носіїв заряду до межі p-n переходу і дрейф через нього в область, де вони стають основними носіями заряду, називається екстракцією. Екстракція і створює зворотний струм p-n переходу - це струм неосновних носіїв заряду.
Величина зворотного струму сильно залежить: від температури навколишнього середовища, матеріалу напівпровідника і площі p-n переходу.
Температурна залежність зворотного струму визначається виразом 
,
де 
- номінальна температура, 
- фактична температура, 
- температура подвоєння теплового струму
.
Тепловий струм кремнієвого переходу багато менше теплового струму переходу на основі германію 
(на 3-4 порядка). Це пов'язано з к матеріалу.
Із збільшенням площі переходу зростає його об'єм, а отже зростає число неосновних носіїв тих, що з'являються в результаті термогенерациі і теплового струму.
Отже, головна властивість p-n-переходу - це його одностороння провідність. Його ВАХ приведена рис.5.5.
Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковий прилад з одним р-n-переходом, що має два омічні висновки, називають напівпровідниковим діодом (рис.5.5). Одна з областей р-n-структури (р+),
Статична вольт-амперна характеристика (ВАХ) напівпровідникового діода зображена рис.5.5. Тут же пунктиром показана теоретична ВАХ електронно-діркового переходу, визначувана співвідношенням
I=I0(еU/(mт)-1),
де Iо — зворотний струм насичення (струм екстракції, обумовлений неосновними носіями заряду; значення його дуже мало); U - напруга на p-n-переході; т = kT/e — температурний потенціал (k — постійна Больцмана, Т - температура, е - заряд електрона); m — поправочний коефіцієнт: m = 1 для германієвих р-n переходів і m = 2 для кремнієвих p-n-переходів при малому струмі).
Кремнієві діоди мають істотно менше значення зворотного струму в порівнянні з германієвими, унаслідок нижчої концентрації неосновних носіїв заряду. Зворотна гілка ВАХ у кремнієвих діодів при даному масштабі практично зливається з віссю абсцис. Пряма гілка ВАХ у кремнієвих діодів розташована значно правішим, ніж у германієвих.
Якщо через германієвий діод протікає постійний струм, при зміні температури падіння напруги на діоді змінюється приблизно на 2,5 мВ/°С:
dU/dT= -2,5 В/°С.
Для діодів в інтегральному виконанні dU/dT складає від —1,5 мВ/°С в нормальному режимі до —2 мВ/°С у режимі мікрострумів.
Максимально допустиме збільшення зворотного струму діода визначає максимально допустиму температуру діода, яка складає 80 – 100 °С для германієвих діодів і 150 – 200 °С для кремнієвих.
Мінімально допустима температура діода лежить в межах -(60 – 70)°С.
Диференціальним опором діода називають відношення приросту напруги на діоді до викликаного їм приросту струму:
rДИФ = dU/dI
Звідси витікає, що для p-n-переходу rДИФ т/I.
Побой діода. При зворотній напрузі діода більш певного критичного значення спостерігається різке зростання зворотного струму (рис. 5.6). Це явище називають пробоєм діода.
Пробій діода виникає або в результаті дії сильного електричного поля в р-n переході (рис.5.6, крива 1 і 2). Такий пробій називається електричним. Він може бути тунельним - крива 2 або лавинним - крива 1. Або пробій виникає в результаті розігрівання p-n-переходу при протіканні струму великого значення і при недостатньому теплоотводі, що не забезпечує стійкість теплового режиму переходу (рис. 1.5, крива 3). Такий пробій називається тепловим пробоєм. Електричний пробій обернемо, тобто він не приводить до пошкодження діода, і при зниженні зворотної напруги властивості діода зберігаються. Тепловий пробій є необоротним. Нормальна робота діода як елемент односторонньою провідністю можлива лише в режимах, коли зворотна напруга не перевищує пробивного значення Uо6р mах .
Значення допустимої зворотної напруги встановлюється з урахуванням виключення можливості електричного пробою і складає (0,5 - 0,8) Uпроб .
Місткості діода. Прийнято говорити про загальну місткість діода Сд , зміряної між виведеннями діода при заданій напрузі зсуву і частоті. Загальна місткість діода рівна сумі бар'єрної місткості С6 , дифузійної місткості Сдиф і місткості корпусу приладу Ск (рис.5.7).
Бар'єрна (зарядна) місткість обумовлена об'ємним зарядом іонів домішок, що некомпенсується, зосередженими по обидві сторони від межі р-n-переходу.
Модельним аналогом бар'єрної місткості може служити місткість плоского конденсатора, обкладаннями якого є р- і n-області, а діелектриком служить р-n перехід, що практично не має рухомих зарядів. Значення бар'єрної місткості коливається від десятків до сотень пікофарад; зміна цієї місткості при зміні напруги може досягати десятиразової величини.
Дифузійна місткість. Зміну величини об'ємного заряду не рівноважних електронів і дірок, викликану зміною прямого струму, можна розглядати як наслідок наявності так званої дифузійної місткості, яка включена паралельно бар'єрній місткості.
Значення дифузійної місткості можуть мати порядок від сотень до тисяч пікофарад. Тому при прямій напрузі місткість р-n переходу визначається переважно дифузійною місткістю, а при зворотній напрузі - бар'єрною місткістю.
Схема заміщення напівпровідникового діода зображена рис. 5.6. Тут Сд – загальна місткість діода, залежна від режиму; Rп – опір переходу, значення якого визначають за допомогою статичної ВАХ діода (Rп = U/I); rб – розподілений електричний опір бази діода і відводів.
Іноді схему заміщення доповнюють місткістю між виведеннями діода СВ , місткостями Свх і Свых (показані пунктиром) і індуктивністю виведень LВ.
ТИПИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
Випрямні діоди використовують для випрямляння змінних струмів частотою 50 Гц - 100 кГц. У них використовується головна властивість p-n-переходу - одностороння провідність. Головна особливість випрямних діодів великі площі p-n-переходу, оскільки вони розраховані на випрямляння великих по величині струмів. Основні параметри випрямних діодів даються стосовно їх роботи в однонапівперіодному випрямлячі з активним навантаженням (без конденсатора, що згладжує пульсації).
Середня пряма напруга Uпр..ср — середня за період пряма напруга на діоді при протіканні через нього максимально допустимого випрямленого струму.
Середній зворотний струм Iобр. ср — середній за період зворотний струм, вимірюваний при максимальній зворотній напрузі.
Максимально допустима зворотна напруга Uобр. mах (Uобр. и mах) – найбільша постійна (або імпульсне) зворотна напруга, при якій діод може тривало і надійно працювати.
Максимально допустимий випрямлений струм Iвп. ср mах — середній за період струм через діод (постійна складова), при якому забезпечується його надійна тривала робота.
Перевищення максимально допустимих величин веде до різкого скорочення терміну служби або пробою діода.
Максимальна частота fтах — найбільша частота напруги, що підводиться, при якій випрямляч на даному діоді працює достатньо ефективно, а нагрів діода не перевищує допустимої величини.
У випрямному пристрої енергія змінного струму перетвориться в енергію постійного струму за рахунок односторонньої провідності діодів.
Випрямлена напруга звичайно використовується як напруга живлення електронних схем.
Високочастотні (універсальні) і імпульсні діоди застосовують для випрямляння струмів, модуляції і детектування сигналів з частотами до декількох сотень мегагерц. Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в пристроях з мікросекундною і наносекундною тривалістю імпульсів. Їх основні параметри:
Максимально допустимі зворотні напруги Uобр. mах (Uобр. и mах) – постійні (імпульсні) зворотні напруги, перевищення яких приводить до його негайного пошкодження.
Постійна пряма напруга Uпр – падіння напруги на діоді при протіканні через нього постійного прямого струму Iпр .
Постійний зворотний струм Iобр — струм через діод при постійній зворотній напрузі (Uобрмах). Чим менше за Iобр, тим більш якісний діод.
Місткість діода Сд — місткість між висновками при заданій напрузі. При збільшенні зворотної напруги (по модулю) місткість Сд зменшується.
При коротких імпульсах необхідно враховувати інерційність процесів включення і виключення діода. Воно характеризується: