МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И
ИННОВАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ
МУХАММАДА АЛЬ-ХОРАЗМИЙ
Реферат
на тему:
«Полупроводниковые диоды»
Группа: 024-22
Выполнил: Турдиқулов Сардорбек
Проверил(a): ____________
Ташкент 2025г.
План:
1. Введение
2.Основная часть:
2.1. Строение и принцип действия полупроводникового диода
2.2. Режимы работы полупроводникового диода
2.3. Применение полупроводниковых диодов
3.Заключение
4.Список использованной литературы
Введение
Кристалл германия обладает проводимостью n–типа за счёт небольшой
добавки донорной примеси. Для создания в нём p-n-переходов в одну из его
поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь
монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа.
Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя
областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий
воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус.
Достоинствами полупроводниковых диодов являются их прочность, малые
размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность;
недостатком - зависимость их параметров от температуры: они могут работать в
ограниченном
Свойства
интервале
p-n-перехода
температур
можно
(от
использовать
–
70ºС
для
до
создания
+
125ºС).
усилителя
электрических колебаний, называемого транзистором. Транзисторы стали
применять в науке в начале 50-х годов ХХ века. Они в отличие от диодов
содержат в себе два р-n- перехода. Наиболее массовый транзистор представляет
собой пластинку германия, кремния или другого полупроводника, обладающего
электронной или дырочной проводимостью, в объеме которой искусственно
созданы две области, противоположные по электрической проводимости.
Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два р-n- перехода,
каждый из которых обладает такими же электрическими свойствами, как и
полупроводниковый диод. Независимо от структуры транзистора пластинку
полупроводника называют базой Б, область меньшего объема – эмиттером Э, а
область большего объема – коллектором К.
Транзисторы, в которых база обладает дырочной проводимостью, называют
транзисторами p-n-p перехода. Для приведения в действие транзистора p-n-pтипа на коллектор подают напряжение отрицательной полярности относительно
эмиттера. Напряжение на базе при этом может быть, как положительным, так и
отрицательным. Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет
составлять диффузионный поток дырок из р-области. Если на эмиттер подать
небольшое прямое напряжение, то через него потечет дырочный ток,
диффундирующих из р-области в n-область (базу). Но т.к. база узкая, то дырки
пролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. Транзистор способен
распределять ток, тем самым его усиливая. Отношение изменения тока в цепи
коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина
постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока
бетта. Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения
в токе цепи коллектора. Условное обозначение транзистора: Б база, К коллектор,
Э эмиттер, направление стрелки показывает направление тока. На
представлены p-n-p- транзисторы.
рисунках
2.Основная часть:
2.1. Строение и принцип действия полупроводникового диода
Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой двухэлектродный
прибор, действие которого основано на использовании электрических
свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим свойствам
относятся:
односторонняя
характеристики,
наличие
проводимость,
участка
нелинейность
вольтамперной
вольтамперной
характеристики,
обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного
тока при электрическом пробое, существование емкости p-n перехода. В
зависимости
от
того,
какое
из
свойств p-n перехода
используется,
полупроводниковые диоды могут быть применены для целей выпрямления,
детектирования, преобразования, усиления и генерирования электрических
колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и
в качестве переменных реактивных элементов.
В большинстве случаев ПД отличается от симметричного p-n перехода
тем, что p- область диода имеет значительно большее количество примесей,
чем n- область (несимметричный p-n переход ), т.е.
. В этом
случае n- область носит название базы диода. При подаче на такой переход
обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока
дырок из базы в p- область и будет иметь меньшую величину, чем
для
симметричного перехода. При подаче прямого напряжения прямой ток тоже
почти полностью будет состоять из потока дырок из p- области в базу и уже
при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально
(уравнение в/а характеристики p-n перехода имеет вид:
Применение ПД для тех или иных целей определяет требования,
предъявляемые
к
его
характеристикам,
к
величинам
преобразуемых
мощностей, токов и напряжений. Эти требования могут быть удовлетворены с
помощью соответствующего выбора материала, из которого изготовляется
диод, технологией изготовления p-n перехода и конструкцией диода.
В соответствии с этим ПД разделяются ряд основных типовых групп.
Существующая классификация подразделяет ПД следующим образом:
а) по назначению (выпрямительные, детекторные, преобразовательные,
стабилитроны, варикапы и др.);
б) по частотным свойствам (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ);
в) по типу перехода (плоскостные, точечные);
г) по исходному материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и
т.д.);
Кроме того существует разделение ПД внутри одной группы в
соответствии с электрическими параметрами.
Кроме специфических параметров, характеризующих данную типовую
группу, существуют параметры общие для всех ПД независимо от их
специального назначения. К ним относятся: рабочий интервал температур,
допустимое
обратное
напряжение,
допустимый
выпрямленный
ток,
допустимая мощность рассеивания.
Рабочий интервал температур.
При повышении температуры растет собственная электропроводность
проводника (увеличивается генерация пар носителей заряда электрон-дырка),
растет ток насыщения и растет вероятность пробоя p-n перехода.
Максимально допустимая температура перехода тем больше, чем шире
запрещенная зона полупроводника. Так для германиевых диодов допустимый
интервал температур окружающей среды лежит в пределах
,
а для кремниевых в пределах
. При понижении температуры
увеличивается сопротивление диода как прямое, так и обратное, а также
появляется
вероятность
механических
повреждений
кристалла
из-за
увеличивающейся хрупкости.
Допустимое обратное напряжение
Обычно за допустимое обратное напряжение принимается величина:
где
- напряжение, при котором возникает пробой p-n перехода.
Значение
зависит от температуры и от удельного сопротивления
полупроводника
. Последнее объясняется тем, что напряженность поля p-
n перехода, а значит и напряжение пробоя зависят от ширины перехода,
которая в свою очередь зависит от концентрации примесей, т.е. от удельного
сопротивления полупроводника. Так как p-n переход тем шире, чем больше
удельное сопротивление полупроводника, то и
будет тем больше, чем
больше удельное сопротивление исходного материала.
Если требуется получить большое выпрямленное напряжение, при
котором к диоду будет приложено обратное напряжение большее, чем
допустимое, применяют последовательное включение диодов. Так как
величины обратных сопротивлений диодов не одинаковы, то обратные
напряжения при последовательном включении распределяются между
диодами неравномерно и диод, имеющий большее обратное сопротивление,
может быть пробит. Во избежание этого каждый из последовательно
включенных диодов шунтируют сопротивлением такой величины, чтобы
распределение напряжений на диодах в основном определялось этими
сопротивлениями.
Допустимый выпрямленный ток
Так как при протекании тока возрастает температура перехода, то
величина допустимого тока ограничивается допустимой температурой
перехода. Для того, чтобы получить выпрямленный ток больше допустимой
величины, можно включить несколько диодов параллельно. Так как диоды
обладают разным прямым сопротивлением, то токи распределяются
неравномерно и может оказаться, что ток, протекающий через диод с
наименьшим сопротивлением, превысит допустимое значение. Во избежание
этого последовательно с каждым из диодов включается сопротивление.
Предельно допустимая мощность рассеивания
.
Предельно допустимая мощность рассеивания зависит от конструкции диода,
так и от температуры окружающей среды, т.е. от условий охлаждения.
Очевидно, что рабочие режимы в схемах надо выбирать так, чтобы:
где I - ток, протекающий через диод,
U - напряжение, приложенное к диоду.
2.2 Выпрямительные диоды (силовые диоды. вентили).
Выпрямительные ПД применяются для преобразования переменного тока
низкой частоты (до 50кГц) в ток одного направления (выпрямление
переменного тока). Обычно рабочие частоты выпрямительных ПД малой и
средней мощности не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности - 50 Гц.
Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено
его свойством проводить ток в одном направлении (ток насыщения очень мал).
В связи с применением выпрямительных диодов к их характеристикам и
параметрам предъявляются следующие требования:
а) малый обратный ток
;
б) большое обратное напряжение;
в) большой прямой ток;
г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.
Для того, чтобы обеспечить эти требования, выпрямительные диоды
выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной
запрещенной зоны, что уменьшает обратный ток, и большим удельным
сопротивлением, что увеличивает допустимое обратное напряжение. Для
получения в прямом направлении больших токов и малых падений напряжения
следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.
Выпрямительные диоды изготавливаются из германия (Ge) и кремния (Si) с
большим
удельным
сопротивлением,
причем
Si
является
наиболее
перспективным материалом.
Кремниевые диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину
запрещенной зоны [1] , имеют во много раз меньшие обратные токи, но
большее прямое падение напряжения, т.е. при равной мощности отдаваемой в
нагрузку, потеря энергии у кремниевых диодов будет больше. Кремниевые
диоды имеют большие обратные напряжения и большие плотности тока в
прямом направлении.
Зависимость вольтамперной характеристики кремниевого диода от
температуры показана на рис.2.1.Из рисунка 2.1 следует, что ход прямой ветви
вольтамперных характеристик при изменении температуры изменяется
незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей
заряда при изменении температуры практически почти не изменяется, т.к.
примесные атомы ионизированы уже при комнатной температуре.
Количество неосновных носителей заряда определяется температурой и
поэтому ход обратной ветви вольтамперной характеристики сильно зависит от
температуры, причем эта зависимость резко выражена для гермениевых
диодов. Величина напряжения пробоя тоже зависит от температуры. Эта
зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом
пробое за счет ударной ионизации
возрастает при повышении
температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры
увеличиваются тепловые колебания решетки, уменьшается длина свободного
пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию
достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность
поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное напряжение. При
тепловом пробое
при повышении температуры уменьшается.
В некотором интервале температур для германиевых диодов пробой чаще всего
бывает тепловым (ширина запрещенной зоны Ge невелика), а для кремниевых
диодов - электрическим. Это определяет значения
при заданной
температуре. При комнатной температуре значения
для германиевых
диодов обычно не превышают 400В , а для кремниевых - 1500В.
2.3 Высокочастотные полупроводниковые диоды.
В
высокочастотных
полупроводниковых
диодах
так
же,
как
выпрямительных диодах, используется несимметричная проводимость
и
в
p-n перехода. Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные
диоды (до сотен Мгц), и подразделяются на универсальные и импульсные.
Универсальные в.ч. диоды применяются для получения высокочастотных
колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по
амплитуде в.ч. колебаний - колебаний с частотой модуляции (детектирование),
для
преобразования
частоты.
Импульсные
диоды
применяются
как
переключающий элемент в импульсных схемах.При работе ПД на высокой
частоте
большую
роль
играет
емкость
перехода,
обусловливающая
инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то
влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления
Кроме того, эффективность выпрямления снижается за счет того, что
часть
подведенного
сопротивлении
базы
к p-n переходу
диода.
внешнего
Отсюда
напряжения
следует,
падает
на
что p-n переходы
полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны
обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы
.
Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для
уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы.
Требование уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим
уменьшение площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных
носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае,
если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя.
Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае
переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии,
бесконечно большое - в закрытом, и мгновенно переходить из одного
состояния в другое. В реальном случае при переключении в.ч. диода из
закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние
устанавливается в течении некоторого времени, которое называется временем
переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие
инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению
формы переключаемых импульсов.
При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник
вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au,
Cu, Ni ), что снижает время жизни неравновесных носителей заряда.
Толщина n- области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение
диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время
жизни неравновесных носителей и сопротивление базы. Конструктивно в.ч.
диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень
малой площадью перехода.
2.2. Режимы работы полупроводникового диода
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.
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.
2.3. Применение полупроводниковых диодов
Принцип работы полупроводникового диода
P-N переход
Принцип работы p-n перехода
Для упрощенного понимания будем считать, что полупроводник р -типа
обладает чисто дырочной проводимостью, а полупроводник n –типа чисто
электронной.
Подключим внешнее напряжение, так чтобы под положительным
потенциалом оказалась область р–типа, а под отрицательным потенциалом,
область n –типа. Под действием этого напряжения (прямого) электроны в
полупроводнике движутся к границе областей, и проникают в область р, а
навстречу им перемещаются дырки, проникающие в область n, электроны и
дырки рекомбинируют. Во внешних проводах движутся только электроны, в
направлении от минуса источника питания к плюсу к области полупроводника
n и компенсируют убыль электронов, а из полупроводника р электроны уходят
в направлении к плюсу, и в этой области полупроводника образуются новые
дырки, процесс называется прямым током.
Значительный прямой ток мы получаем при сравнительно небольшом
прямом напряжении. Сопротивление р-n перехода Rпр для прямого тока , в
реальных полупроводниках, не велико, а для обратного тока во много раз
больше Rпр. При обратном включении полупроводника на границе областей
образуется запирающий слой. Таким образом полупроводниковый диод может
быть использован для выпрямления переменного тока.
С повышением температуры обратный ток увеличивается, а Rобр
уменьшается.
При применении конкретного диода важно знать зависимость тока от
приложенного напряжения (ВАХ) диода. Обычный диод работает на прямом
участке Вольт-Амперной Характеристики (говорят, что p-n переход смещен в
прямом направлении).
Вольт Амперная Характеристика полупроводникового диода
Основные параметры полупроводниковых диодов:
· Iмакс – максимально допустимый выпрямленный ток
· Uпр – напряжение на диоде при Iмакс
· Uобр макс – максимально допустимое обратное напряжение
· Iобр макс –максимальный обратный ток при Uобр макс
Применение диодов в схемах
Рассмотрим сферы применения полупроводниковых диодов с реальными
примерами,
электронике:
подобные
решения
часто
применяются
в
промышленной
Заключение
Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в
радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока
преобразуется в энергию постоянного тока. Полупроводниковые диоды хорошо
проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, и,
следовательно,
основным
назначением
большинства
диодов
является выпрямление переменного тока.В выпрямителях для питания
радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит
силовой
трансформатор,
включенный
в
электрическую
сеть.
Вместо
трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях
выпрямитель питается от сети трансформатора. Роль нагрузочного резистора,
т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те
цепи или приборы, которые питаются выпрямителем. При выпрямлении токов
высокой частоты, например в детекторных каскадах радиоприемников,
генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или
резонансный колебательный контур, а специально включенный нагрузочный
резистор имеет большое сопротивление.
Список использованной литературы
1.Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники
электронных устройств. — 2001 г.
2.Федосеева Е.О. Основы электроники и микроэлектроники. М.: Искусство,
1990. — 240 с.
3.Четвертаков И.И. Резисторы. Справочник. — М.: Радио и связь, 1987. — 391.
4.Четвертаков И.И. Справочник по электрическим конденсаторам. — М.: Радио
и связь, 1983. — 252 с.
5. Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные
аналоги. — М.: Радио и связь, 1985. — 288 с.
6.Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. — М.:
Техника, 1984. — 424 с.
7.Справочник по полупроводниковым приборам и их аналогам / Под редакцией
Пыжевского А.М. — 1992 г.
8. Петрович В.П. Физические основы электроники. — Томск: Изд. ТПУ, 2000.
— 73 с.
9.Хрулев А.К. Диоды и их зарубежные аналоги: справочник : в 3 т. / А.К. Хрулев,
В.П. Черепанов. — М.: РадиоСофт, 1998. — (Справочник).