Кремниевые диоды – . ? » Digitrode.ru — БилдоМан — всё о строительстве и ремонте

Содержание

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это

германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.
Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.
Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.
Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.
СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.
Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.
Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.
Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.
Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.
Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).
Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.
I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

go-radio.ru

Виды и классификация диодов по типам, назначению, конструкции, материалам

Диод – электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом. Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым. Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.

Содержание статьи

Общая классификация

Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.

Неполупроводниковые

Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды. Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.

Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные, из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.

Полупроводниковые

В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов). Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом. Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.

Полупроводниковые диоды

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния. Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами. Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными.

Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Материалы для изготовления диодов

При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.

Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В. В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал. Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.

Виды диодов по частотному диапазону

По рабочей частоте диоды делятся на:

Низкочастотные – до 1 кГц.
Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными.
Импульсные диоды используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Виды диодов по типу конструкции

Стабилитроны (диоды Зенера)

Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.

Стабисторы

Стабиистор, или нормистор, — это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).

Диоды Шоттки

Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.

Варикапы

Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.

Туннельные диоды

Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.

Тиристоры

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока. В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

Диодные мосты

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Фотодиоды

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне. Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток. Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

Лавинные и лавинно-пролетные диоды

Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.

PIN-диоды

PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.

Триоды

Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку. Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.

Маркировка диодов

Маркировка полупроводниковых диодных устройств включает цифры и буквы:

Первая буква характеризует исходный материал. Например, К – кремний, Г – германий, А – арсенид галлия, И – фосфид индия.
Вторая буква – класс или группа диода.
Третий элемент, обычно цифровой, обозначает применение и электрические свойства модели.
Четвертый элемент – буквенный (от А до Я), обозначающий вариант разработки.

Пример: КД202К – кремниевый выпрямительный диффузионный диод.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

www.radioelementy.ru

7.3. Классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды (выпрямительные, стабилитроны, туннельные, обращенные и т.д.) относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных устройств, систем управления, радиотехнических и вычислительных комплексов.

Полупроводниковые диоды являются простейшими полупроводниковыми приборами. Их работа основана на процессах протекания тока в p—n-переходе. Полупроводниковый диод имеет два вывода (один от p— области, другой от n-области). Они соответственно называются анодом и катодом. Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент (двухполюсник).

На условном графическом обозначении направление стрелки диода совпадает с направлением прямого тока. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис. 7.8.

Полупроводниковые диоды
выпрямительные			светодиоды
стабилитроны			СВЧ-диоды
туннельные			обращенные
варикапы			фотодиоды
Рис. 7.8

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, в котором используется свойство p—n-перехода – односторонняя проводимость. Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя на обратной ветви ВАХ p—n-перехода слабо зависит от тока. Он служит для стабилизации напряжения.

Помимо выпрямительных диодов широко применяются импульсные диоды, у которых площадь p—n-перехода значительно меньше, чем у выпрямительных диодов, в связи с чем они имеют малую длительность переходных процессов. Они используются в качестве ключевых элементов в схемах импульсной техники.

Еще одной разновидностью диодов являются диоды Шоттки. Диод Шоттки – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником. На основе выпрямляющего перехода Шоттки создаются выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p—n-переходом лучшими частотными свойствами.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды предназначены для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (более 300 МГц).

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через p—n-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрицательного сопротивления, т.е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока. Это свойство может быть использовано для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Туннельные диоды способны работать на частотах до сотен ГГц.

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Из принципа действия обращенных диодов ясно, что они, во-первых, способны работать при очень малых сигналах. Во-вторых, они обладают очень хорошими частотными свойствами, так как в них имеет место туннельный эффект.

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Светодиод – полупроводниковый диод с относительно большой шириной запрещенной зоны. Излучение квантов видимого света вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий электрический переход.

Фотодиод – полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p—n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в p—n-переходе образуются новые носители заряда. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p—n-переходу областях, диффундируют к p—n-переходу и проходят через него под действием электрического поля. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком.

Очень важным с точки зрения предоставляемых им возможностей полупроводниковым прибором является оптопара. Оптопара – это полупроводниковый прибор, состоящий из в общем случае из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В частном случае в качестве одного элемента оптопары – излучателя – может быть использован светодиод, а в качестве второго элемента – фотоприемника может быть использован фотодиод (рис. 7.9).
	Рис. 7.9

Эти элементы помещаются в общий корпус оптопары. Основным достоинством применения оптопар является почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от исполнительных при сохранении сильной функциональной оптической связи. Можно отметить также однонаправленность оптической связи и отсутствие обратной реакции приемника излучения на излучатель.

После краткого рассмотрения предложенной классификации полупроводниковых диодов остановимся более подробно на параметрах и характеристиках двух типов, которые нашли наиболее массовое применение: выпрямительного диода и стабилитрона.

Вольт — амперные характеристики германиевых и кремниевых выпрямительных диодов показаны на рис. 7.10.
	Рис. 7.10

Обратный ток для диодов широкого применения измеряется в микроамперах (обратите внимание на разный масштаб измерений по оси ординат для прямого и обратного тока), и его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока обратное напряжение на диоде не достигнет значения напряжения пробоя.

Прямое падение напряжения, обусловленное прямым током через диод, составляет от 0.2 до 0.8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Параметры выпрямительного диода:

— постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

— постоянный обратный ток;

— максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод, не вызывая изменения его параметров;

— максимальный выпрямленный прямой ток;

— постоянное прямое напряжение;

— максимально допустимое обратное постоянное напряжение;

— общая емкость диода;

— рассеиваемая мощность при прямом включении диода;

— статическое сопротивление открытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и;

— статическое сопротивление закрытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и;

— коэффициент выпрямления.

Значения параметров зависят от типа диода. Для сравнения в табл. 7.1 приведены значения указанных параметров для маломощных германиевого и кремниевого диодов. Приведенные в табл. 7.1 параметры определены при значениях прямого тока до 1 мА.

Таблица 7.1
Тип диода	, В	, Ом	, мкА	, МОм	, В	, Ом
Германиевый (типа Д311)	0.2	50	0.44	0.3	30	10
Кремниевый (типа Д219)	0.6	60	5·10^-7	70	70	17

Кроме того, следует учесть, что величина зависит от температуры:

где =293 К^о, — температура удвоения теплового тока насыщения, которая для германия принимается равной7 К^о, а для кремния — 4.5 К^о.

ВАХ идеализированного p—n— перехода описывается выражением

(7.7)

где I – ток через p-n-переход; U – напряжение на p—n–переходе; — тепловой (обратный) токp—n-перехода; – коэффициент, учитывающий неоднородность полупроводника в области перехода (для идеального диодаm=1, для германиевых диодов , для кремниевых диодов;— тепловой потенциал,T – абсолютная температура, К^о; Дж/К – постоянная Больцмана; Кл – заряд электрона. При нормальной температуре T=300 K^о тепловой потенциал .

ВАХ реального диода, показанная на рис. 7.11 сплошной линией, отличается от идеализированной характеристики, показанной на рис. 7.11 штрих пунктирной линией и описываемой уравнением (7.7).

	ВАХ реального диода имеет четыре участка: прямую ветвь, обратную ветвь (до зоны пробоя), зону электрического пробоя (до ), зону теплового пробоя.
Рис. 7.11

При моделировании диода его реальная характеристика аппроксимируется нелинейной и линейной моделями. При использовании нелинейной модели ВАХ диода заменяют ВАХ p—n-перехода, а для уточнения модели последовательно с p—n-переходом включают сопротивление базы R_б30 Ом.

Полученная при этом эквивалентная схема полупроводникового диода приведена на рис. 7.12. В эквивалентной схеме характеризует сопротивление закрытого
	Рис. 7.12

диода и учитывает зависимость обратного тока через диод от напряжения, так как в реальных диодах обратный ток превосходит тепловойиз-за наличия тока термогенерациии тока утечки по поверхности перехода () и определяется как.

Инженерные методы расчета базируются на кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода, поэтому для каждого участка ВАХ используется своя линейная модель и своя эквивалентная схема (табл. 7.2).

До сих пор рассматривались параметры, характеризующие работу диода в статическом режиме. Работа диодов в динамическом режиме характеризуется конечным временем переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно. Это связано с накоплением и рассасыванием неравновесного заряда в диоде. Наличие заряда позволяет говорить о емкости диода , обусловленной наличием барьерную емкости и диффузионную емкости перехода.

На схемах замещения, например на рис.7.13в, емкость диода представляют в виде суммы емкостей . В силу наличиядинамические свойства диодов и их быстродействие оцениваются временем установления прямого сопротивленияи временем восстановления обратного сопротивления(рис. 7.13б), превышающимиз-за наличия времени рассасывания заряда, накопленного в базе диода.

Таблица 7.2
Участок ВАХ	Уравнение	Эквивалентная схема
1
2
3

ВАХ стабилитрона изображена на рис. 7.14.

Рис. 7.14

Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации от 3 до 200 В; их прямое напряжение составляет . Как видно из рис.7.14, обратное сопротивление диода при малых обратных напряженияхвелико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение обратного тока вызывает малое изменение напряжения. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивлениеи меньше коэффициент качества, где.

Параметры стабилитрона:

— номинальное напряжение стабилизации;

— изменение напряжения стабилизации;

— номинальный ток стабилизации; определяемый в соответствии с выражением , где— минимальный ток стабилизации;— максимальный ток стабилизации;— температурный коэффициент.

Другие из ранее перечисленных типов диодов могут характеризоваться дополнительными параметрами в соответствии с их функциональным назначением. Так, например, кроме общих для всех диодов параметров, работу импульсных диодов характеризуют также:

-импульсным прямым напряжением;

-импульсным прямым током;

-временем восстановления, определяющим инерционность процессов выключения, восстановления ;

-временем установления, определяющим инерционность процессов включения, установления .

studfile.net

Дорогу карбиду кремния! – диоды Шоттки производства Littelfuse

11 мая 2017

Карбид кремния (SiC) – один из наиболее перспективных полупроводниковых материалов. Он отличается от традиционного кремния возможностью получения более высоких значений рабочего напряжения, меньшим уровнем статических и динамических потерь, большей устойчивостью к перегревам и помехам. Пример успешного использования этого материала – изделия компании Littelfuse.

Конструкции силовых высоковольтных кремниевых диодов постоянно совершенствуются. После стандартных диодов на рынке появились семейства Fast Recovery и Ultra Fast Recovery, которые отличаются меньшим временем восстановления. Главной целью их создания было снижение потерь и увеличение значений коммутируемых токов. Несмотря на явные достижения, в развитии силовых кремниевых диодов в последнее время наблюдается некоторая стагнация. Причиной этого является тот факт, что технологические возможности кремния практически исчерпаны. Требуется либо отказываться от диодов в пользу синхронных приложений с управляемыми мощными ключами, либо искать новые материалы, которые смогут удовлетворять растущие требования рынка.

Рис. 1. Диоды Шоттки на основе карбида кремния (SiC), производимые компанией Littelfuse

Одним из наиболее перспективных материалов для сферы высоковольтных мощных приложений является карбид кремния SiC. При его использовании удается достичь значительного прогресса в решении задач по снижению мощности потерь, увеличению диапазона рабочих частот и напряжений, повышения устойчивости к помехам и перегревам. Примером успешного использования достоинств карбида кремния стало семейство мощных высоковольтных диодов Шоттки на его основе, производимых компанией Littelfuse (рисунок 1). Эти диоды по заявленным характеристикам не только не уступают существующим кремниевым аналогам, но и превосходят их по ряду параметров.

В настоящее время Littelfuse предлагает диоды Шоттки на основе карбида кремния с различными рабочими характеристиками:

с рейтингом напряжения 650 или 1200 В;
с номинальными токами до 20 А;
с зарядом восстановления от 6 нКл;
модели с одиночным диодом и парой диодов, объединенных общим катодом;
в корпусных исполнениях TO220-2L и TO247.

Ключевыми областями применения рассматриваемых диодов Шоттки станут мощные приложения, работающие в режимах как с мягкими, так и с жесткими переключениями.

Мощные кремниевые диоды: достоинства и недостатки

Перед тем как начать разговор о недостатках кремния, стоит отметить, что кремниевые диоды – это надежное, проверенное десятилетиями решение. Говорить о том, что они абсолютно устарели, конечно, нельзя. Более того, они обладают неоспоримыми достоинствами и целым рядом преимуществ:

самые современные диоды способны работать с напряжениями более 1 кВ и коммутировать токи в сотни ампер;
кремниевая технология бюджетна и хорошо отлажена;
к услугам разработчиков предлагается огромная номенклатура моделей от множества производителей;
доступны различные корпусные исполнения и так далее.

Анализируя вышесказанное, можно утверждать, что новые материалы еще не скоро смогут вытеснить кремний с рынка. Вместе с тем, у этого полупроводникового материала есть очевидные недостатки.

С чисто физической точки зрения кремний практически исчерпал себя. Ожидать фантастических прорывов в характеристиках кремниевых приборов не стоит. В частности, многие электрические свойства мощных диодов, например, допустимое рабочее напряжения и уровень потерь проводимости (рисунок 2), зависят от толщины кристалла.

Рис. 2. Влияние толщины полупроводника на характеристики диода

Чтобы создать диод, способный работать без пробоя с напряжениями до 1200 В, потребуется общая толщина слоя кремния в 120 мкм. Увеличение стоимости и габаритов – это только часть проблемы, так как рост толщины неизбежно приводит к увеличению мощности потерь при прямой проводимости.

Снизить потери проводимости пытаются за счет внедрения высоколегированных областей различной формы, чтобы увеличить число неосновных носителей. Но и здесь возникают проблемы – при выключении диода требуется дополнительное время на рассасывание этих носителей (время восстановления).

В целом ряде приложений наличие времени восстановления приводит к возрастанию динамических потерь. Рассмотрим случай самого обычного импульсного преобразователя, работающего на индуктивную нагрузку, например, мотор вентилятора (рисунок 3). Пусть в начальный момент времени транзистор находился во включенном состоянии, при этом энергия накачивалась в индуктивную нагрузку Lн. В момент выключения транзистора ток начинает протекать через диод VD. Если к моменту начала следующего периода коммутации ток в индуктивности не спал до нуля, то при включении VT1 будет наблюдаться бросок тока (сквозной ток через транзистор и диод). Это связно с тем, что за время включенного состояния диод VD1 успел накопить большой объем неосновных носителей. Эти носители и приводят к возникновению сквозных токов. Чем больше время восстановления – тем длительнее импульс тока и тем больше потери.

Рис. 3. Процесс восстановления диода при переключениях

Для минимизации динамических потерь применяют различные ухищрения, однако полностью избавиться от токовых хвостов не удается. На сегодняшний день время восстановления традиционных кремниевых диодов составляет десятки-сотни наносекунд. При использовании карбида кремния это значение удается снизить на порядок. Это одна из причин, по которой карбид кремния является одним из наиболее перспективных материалов для создания мощных высоковольтных компонентов.

Преимущества использования карбида кремния в высоковольтной силовой электронике

Интерес к альтернативным полупроводниковым материалам появился давно. Почти все наиболее перспективные полупроводники были открыты до 90-х годов прошлого столетия. Такие материалы как нитрид галлия и карбид кремния уже прошли стадию теоретических исследований и активно внедряются в производство.

Анализ характеристик помогает обнаружить ключевые достоинства полупроводниковых материалов, которые будут определять их специализацию (таблица 1). Например, нитрид галлия отличается максимальным значением подвижности и дрейфовой скоростью носителей. Этот материал идеально подходит для высокочастотных приложений и силовой импульсной электроники с рабочими напряжениями до 600 В. Карбид кремния характеризуется максимальным значением критической напряженности и высокой дрейфовой скоростью, что делает его наиболее привлекательным материалом для создания высоковольтных полупроводниковых компонентов.

Таблица 1. Сравнение характеристик различных полупроводниковых материалов

Параметр	Материал
Параметр	GaN	Si	SiС
Ширина запрещенной зоны, эВ	3,4	1,12	3,2
Критическая напряженность, МВ/см	3,3	0,3	3,5
Дрейфовая скорость насыщения электронов, x107 см/с	2,5	1	2
Подвижность, см2/В•с	990…2000	1500	650
Диэлектрическая проницаемость	9,5	11,4	9,7

Для кремниевых диодов с рабочим напряжением до 1200 В требуется создание слоя полупроводника толщиной не менее 120 мкм. Это связано с тем, что критическая напряженность для кремния составляет «всего» 0,3 МВ/см. Для SiC критическая напряженность превосходит аналогичный показатель кремния более чем в 10 раз и составляет 3,5 МВ/см. Это значит, что для SiC-диода с рабочим напряжением 1200 В необходимая толщина полупроводникового слоя оказывается также в 10 раз меньше.

Кроме снижения габаритов, уменьшение толщины приводит к двум дополнительным преимуществам. Во-первых, появляется возможность более эффективного теплоотвода. Во-вторых, уменьшение длины проводящего канала неизбежно снижает сопротивление, а значит, и уровень потерь мощности.

Рис. 4. Удельное сопротивление различных полупроводниковых материалов

Говоря о величине сопротивления канала, стоит упомянуть о таком показателе как удельное сопротивление. По этому параметру карбид кремния превосходит обычный кремний и лишь немного уступает нитриду галлия (рисунок 4). В результате GaN и SiC имеют на порядок большую удельную мощность, что приводит к значительному уменьшению габаритов по сравнению с традиционными кремниевыми элементами.

В итоге получается, что по сравнению с кремнием карбид кремния имеет более высокое рабочее напряжение, меньшее значение удельного сопротивления, большую удельную мощность и лучшие возможности теплоотвода. В результате именно карбид кремния оказывается наиболее перспективным высоковольтным материалом для мощных полупроводниковых компонентов. Ярким примером этого стало новое семейство диодов Шоттки на основе SiC производства компании Littelfuse.

Структура и характеристики SiC-диодов Шоттки от Littelfuse

Диоды Шоттки не содержат традиционного p-n-перехода. Вместо этого используется переход «металл-полупроводник». Структура диодов Шоттки на основе SiC производства компании Littelfuse состоит из трех слоев (рисунок 5): высоколегированного основания n+, низколегированного дрейфового слоя n-, металла анода. Барьер Шоттки образуется между металлом анода и дрейфовым слоем.

Рис. 5. Структура диодов Шоттки от Littelfuse на основе карбида кремния

Кроме основных n-легированных слоев в структуре формируются легированные карманы p+. Они выполняют двойную функцию. С одной стороны, при приложении к диоду обратного смещения области p+ создают дополнительную зону обеднения, что приводит к уменьшению значений обратных токов. С другой стороны, при приложении прямого смещения области p+ могут обеспечить защиту от помех со значительными импульсными токами. В последнем случае они выступают в качестве источников дополнительных носителей зарядов.

Рис. 6. Сравнение характеристик различных типов диодов

В результате исследований, проведенных компанией Littelfuse, оказалось, что новое семейство диодов Шоттки на основе SiC превосходит кремниевые диоды по целому ряду ключевых показателей (рисунок 6). При максимальном рабочем напряжении до 1200 В они отличаются минимальным падением напряжения, максимальной допустимой температурой перехода до 175°С, рекордными значениями времени восстановления и заряда восстановления.

Малые значения времени обратного восстановления и заряда восстановления позволяют минимизировать динамические потери на переключения (рисунок 7). При использовании импульсных схем (рисунок 3) удается практически полностью избавиться от токовых импульсов обратной полярности.

Рис. 7. Сравнение диаграмм восстановления различных типов диодов

Использование диодов Шоттки на основе SiC производства Littelfuse дает целый ряд преимуществ:

сокращение уровня потерь проводимости;
сокращение уровня динамических потерь;
увеличение диапазонов частот коммутации с последующим уменьшением габаритов трансформаторов, индуктивностей и конденсаторов выходных фильтров;
рост коммутируемой мощности без увеличения габаритов радиаторов;
сокращение импульсных нагрузок на силовые транзисторы, которые при использовании кремниевых диодов работали в режиме перегруза при протекании сквозных токов при включении;
сокращение общего перегрева системы.

Обзор номенклатуры SiC-диодов Шоттки от Littelfuse

В настоящее время семейство SiC-диодов Шоттки производства Littelfuse насчитывает 11 представителей: шесть моделей с рабочим напряжением до 650 В и пять моделей с рейтингом 1200 В (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики SiC-диодов Littelfuse

Наименование	Рейтинг напряжения, В	Iном, А	Uпрям, В	Iобр, мкА	Iимп, А	Qс, нКл	Корпус	Tj макс, °С	Схема
LFUSCD04065A	650	4	1,5	170	32	6	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD06065A	650	6	1,5	200	48	9	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD08065A	650	8	1,5	230	64	13	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD10065A	650	10	1,5	250	75	16	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD16065B	650	16	1,5	460	96	26	TO247	175	Одиночный
LFUSCD20065B	650	20	1,5	500	90	32	TO247	175	Одиночный
LFUSCD05120A	1200	5	1,5	190	40	14	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD10120A	1200	10	1,5	250	80	35	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD15120A	1200	15	1,5	300	120	60	TO220-2L	175	Одиночный
LFUSCD20120B	1200	2 x 10	1,5	500	160	70	TO247	175	Общий катод
LFUSCD30120B	1200	2 x 15	1,5	600	240	120	TO247	175	Общий катод

Диоды с рейтингом 650 В имеют следующие характеристики:

постоянная токовая нагрузка: 4…20 А;
импульсная токовая нагрузка: 32…90 А;
прямое падение напряжения: 1,5 В;
заряд восстановления: 6…32 нКл;
обратный ток: 170…500 мкА;
два типа корпусных исполнений: TO220-2L и TO247.

Особо нужно отметить модели LFUSCD04065A с минимальным зарядом восстановления 6 нКл и наиболее мощный диод LFUSCD20065B с токовой нагрузкой до 20 А и зарядом на восстановление всего 32 нКл.

Диоды с рейтингом 1200 В имеют следующие характеристики:

постоянная токовая нагрузка: 5…15 А;
импульсная токовая нагрузка: 40…240 А;
прямое падение напряжения: 1,5 В;
заряд восстановления: 14…120 нКл;
обратный ток: 190…600 мкА;
два типа корпусных исполнений: TO220-2L и TO247.

Модели LFUSCD20120B и LFUSCD30120B отличаются наличием двух диодов с общим катодом в одном корпусе. Эти же модели характеризуются максимальной токовой нагрузкой.

Рис. 8. Расшифровка наименований SiC-диодов Littelfuse

При заказе SiC-диодов Littelfuse необходимо использовать наименование, которое включает пять полей (рисунок 8): зашифрованное название компании и семейство, рейтинг тока, рейтинг напряжения и тип корпуса.

Рассматриваемое семейство диодов выпускается в двух вариантах корпусных исполнений: TO220-2L и TO247. Они оба идеально подходят для мощных приложений с радиаторами и монтажом на печатную плату.

Анализ заявленных характеристик говорит о том, что SiC-диоды Шоттки производства компании Littelfuse наверняка будут востребованы в целом ряде приложений силовой и преобразовательной техники, например, в корректорах коэффициента мощности, в DC/DC-преобразователях блоков питания, в инверторах сварочных аппаратов, в системах питания и драйверах электромоторов, в блоках бесперебойного питания и многих других.

Заключение

По сравнению с традиционным кремнием, карбид кремния имеет более высокое рабочее напряжение, меньшее значение удельного сопротивления, большую удельную мощность и лучшие возможности теплоотвода. В результате именно карбид кремния оказывается наиболее перспективным материалом для мощных полупроводниковых компонентов.

Диоды Шоттки на основе SiC отличаются высоким рабочим напряжением, минимальным падением напряжения при прямом смещении, максимальной допустимой температурой перехода до 175°С, рекордно низкими значениями времени восстановления и заряда восстановления.

SiC-диоды Шоттки Littelfuse имеют рейтинги напряжения 650 В и 1200 В, постоянный ток до 20 А, заряд восстановления от 6 нКл. Выпускаются они в корпусных исполнениях TO220-2L и TO247. Это позволяет использовать их в целом ряде приложений силовой электроники – от блоков бесперебойного питания до драйверов электродвигателей.

Литература

The New Name in Power Semiconductors. LFUSCD Series SiC Schottky Diodes. 2016, Littelfuse.

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Кремниевый диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Кремниевый диод

Cтраница 1

Кремниевые диоды Д202, Д205 предназначены для выпрямления переменного тока с частотой до 50 кгц и могут работать при температуре — 60 125 С. Они оформлены в металлическом герметичном корпусе с винтом для крепления на тешюотводящем шасси. При окружающей температуре 125 С и наличии шасси / max составляет 400 ма, без шасси 200 ма. [1]

Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, чем германиевые. [3]

Кремниевые диоды могут быть применены не только для выпрямления, но и для стабилизации напряжения постоянного тока. В этом случав они называются кремниевыми стабилитронами. IX-10, точка А), После излома характеристика идет почти параллельно оси тока, подобно характеристике габового стабилитрона. [5]

Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми допускают работу при значительно более высоких температурах и дмеют большие обратные сопроти-вления, однако у германиевых диодов меньше прямое сопротивление, кроме того, они дешевле кремниевых. [6]

Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Это обусловлено тем, что при температурах выше 85 С резко увеличивается собственная проводимость германия, приводящая к недопустимому возрастанию обратного тока. [7]

Кремниевые диоды применяют чаще германиевых, особенно когда недопустим обратный ток. Кроме того, они сохраняют работоспособность при температуре до 125 — 150 С, тогда как германиевые могут работать только при температуре до 70 С. [8]

Кремниевые диоды даже при нагружении в направлении пропускания тока через них имеют сравнительно высокое омическое сопротивление, если противодействующее напряжение не превышает примерно 0 7 В. [9]

Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150 С. [11]

Кремниевые диоды по принципу действия ничем не отличаются от германиевых. Кремниевый диод способен восстанавливаться после электрического пробоя. [12]

Кремниевые диоды также как и германиевые бывают плоскостными и точечными. Точечные кремниевые диоды имеют очень малую величн — 1 ну междуэлектродной емкости ( порядка 0 5 пф) и применяются при частотах до тысяч мега — ее. [13]

Кремниевые диоды допускают большие обратные напряжения, чем германиевые, они более устойчивы при высоких температурах, что позволяет получить большую плотность тока. Но у германиевых диодов прямое падение напряжения примерно в 1 5 — 2 раза меньше, чем у кремниевых. [14]

Кремниевые диоды делятся на 25 классов: от 1 до 25, что соответствует обратным напряжениям от 100 В до 2500 В. В последние годы освоен диод В6 — 320 с U06 — 4600 В. Выпускают кремниевые диоды шести групп: А — до 0 5 В; Б — от 0 5 до 0 6 В; В — от С 6 до 0 7 В; Г — от 0 7 до 0 8 В; Д — от 0 8 до 0 9 В и Е — от 0 9 до 1 В. [15]

Страницы: 1 2 3 4 5

www.ngpedia.ru

Диод Шоттки. Особенности и обозначение на схеме.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (I_F(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (V_RRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (V_F) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.