DIODY WYK. VI SMK W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, W-wa 1987

Transkrypt

1 DIODY WYK. VI SMK W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, W-wa 1987 Nadając konkretny kształt konstrukcyjny bryle półprzewodnika, będącej złączem p-n, czyli definiując jej rozmiary, wyposażając w doprowadzenia, zamykając w obudowie, tworzymy element dwukoncówkowy, nazywany diodą. Klasyfikacja diód: 1. Ze względu na cechy konstrukcyjno-technologiczne: 2. Ze względu na rodzaj struktury fizycznej złącza: Diody ostrzowe: formowanie powierzchniowe (stany powierzchniowe inwersja typu pp.), formowanie elektryczne kilka A 100 s. Jeżeli stosunek krzywizny złącza r do drogi dyfuzji nośników mniejszościowych L, r/l<<1, to złącze p-n uznajemy za punktowe kryterium odróżnienia diod ostrzowych od warstwowych p-n (nie jest wystarczające dla diód planarnych o bardzo małej powierzchni). Diody ostrzowe a, mesa b, planarne c, epiplanarne - d 3. klasyfikacja z punktu widzenia uzytkownika: 1

2 - prostownicze - uniwersalne - stabilitrony (diody Zenera) - impulsowe - pojemnościowe (warikapy i waraktory) - tunelowe - mikrofalowe (detekcyjne, mieszające oraz diody PIN) - diody lawinowo-przelotowe oraz Gunna - diody wykorzystywane w optoelektronice (fotodiody, diody laserowe) Diody o określonych właściwościach funkcjonalnych otrzymuje się poprzez wybór: odpowiedniego poziomu i rozkładu domieszek, rozmiarów geometrycznych struktury pp., odpowiedniego rodzaju obudowy. Rysunek pokazuje zbiorczy wykres charakterystyk prądowo-napięciowych diód p-n dla różnych koncentracji domieszek. Numeracja rośnie zgodnie ze wzrostem koncentracji domieszek. Do opisu funkcjonowania diód wykorzystuje się parametry techniczne, metodę analizy graficznej i schematu zastępczego. 1 prostownicza, 2 stabilitron (dioda Zenera), 3 dioda zwrotna (mieszająca, detekcyjna), 4 tunelowa Parametry techniczne wszystkich diód: - parametry charakterystyczne, - dopuszczalne parametry graniczne DIODY PROSTOWNICZE do prostowania prądu przemiennego o małej częstotliwości (50Hz, 400Hz, ~khz) przy dużych mocach wydzielanych w obciążeniu Diody warstwowe (dyfuzyjne lub stopowe) z Si lub Ge. Zjawiska dynamiczne nie maja istotnego wpływu na pracę diody. Parametry charakterystyczne - napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F (maksymalnym prądzie wyprostowanym I o, prądzie znamionowym I FM ) - prąd wsteczny I R przy szczytowym napięciu wstecznym pracy U RWM 2

3 Charakterystyka pradowo-napieciowa diody prostowniczej Dopuszczalne parametry graniczne - maksymalny średni prąd przewodzenia I o (prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I FM ) - powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FRM (dla imp. <3.5 ms i f~50hz) - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FSM (imp. <10 ms) - szczytowe napięcie wsteczne pracy U RWM - powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U RSM dla T a =25 o C - dopuszczalna temperatura złącza T j - t rr czas wyłączania (ładunek wyłączania Q rr ) - opór cieplny R th - maksymalna moc rozpraszana w obwodzie: P a moc rozpraszana w diodzie dla dowolnej temperatury otoczenia: P a =(T j -T a )/R th Podział diód ze względu na rozpraszaną moc - małej mocy, P a <1 W (BYP 401, BYP 660), - średniej mocy, 1W<P a <10W (BYP 680 R) - dużej mocy P a >10 W (BY 10, BY 200) 3

4 Produkuje się diody o mocy do kilku kw i napięciu wstecznym kilku kv (krzemowe, T j =150 o C). U F (I o )= V dla Ge oraz dla Si. Diody na prądy powyżej 10 A pracują z radiatorami. Jeśli nie dysponujemy diodami o wymaganym prądzie znamionowym lub napięciu wstecznym, możemu łączyć diody szeregowo (zwiększamy napięcie wsteczne) lub równolegle (zwiększamy prąd przewodzenia). Dla uzyskania równomiernego rozdziału prądów lub napięć szeregowo mały rezystor, równolegle duży rezystor, odpowiednio. Analiza graficzna Koncepcja prostej obciążenia. Z prawa Kirchhoffa: Prosty układ prostownika jednopołówkowego (a) i jego analiza graficzna (b). 4

5 e g =u F +ir L ; i=e g /R L -u F /R L równanie prostej obiążenia, R L rezystancja obciążenia, u F wartość chwilowa spadku napięcia na diodzie. Punkt wspólny prostej obciążenia i charakterystyki diody rozwiązanie układu dwóch równań, tego oraz i=i R [exp(u F /m T )-1]. Wyznacza ono wartość chwilową prądu w obwodzie oraz spadki napięć na diodzie i R L. Alternatywna metoda charakterystyka obwodu powstała przez dodanie charakterystyk I-U diody i obciążenia. Schematy zastępcze Modele diody odcinkami liniowe: dioda idealna (a): J=0 w kierunku zaporowym i U=0 w kierunku przewodzenia, model z napięciem progowym (b) gdzie uwzględnia się dodatkowe źródło, które reprezentuje napięcie progowe U TO (=0,2...0,4V dla diod Ge, i 0,5...0,7V dla diod Si), model z napięciem progowym i skończoną konduktancją przyrostową (c), najdokładniejszy z liniowych modeli. Rezystancja przyrostowa r T =r r +r S jest równa sumie rezystancji przyrostowej złącza p-n r r i rezystancji szeregowej r S 1. Przykłady zastosowań - układ prostowniczy jednopołówkowy - dwupołówkowy - dwukierunkowy (mostkowy) Prostownik jednopołówkowy z charakterystycznymi przebiegami dla modelu diody idealnej. Prąd płynie w obwodzie tylko dla dodatniej połówki napięcia sin. Model (a) jest dokładny dla analizy układów prostowniczych, w których ampituda napięcia przemiennego U m >>U TO napięcia progowego diody oraz rezystancja obciążenia R L >>r T rezystancji diody. U U m m U śr sin d wartość średnia napięcia na obciążeniu I U U śr m śr oraz średnia prądu w obciążeniu RL RL 5

6 Rys Układ prostownika (a), oraz zależności napięcia wejściowego e g (b), prądu w obwodzie (c), napięcia na diodzie (d), napięcia na obciążeniu (e) w funkcji czasu. Rys i

7 Jeżeli ampituda U m jest mała, to należy posłużyć się modelem z rys b. Wówczas prąd w obwodzie zaczyna płynąć dopiero wtedy, gdy napięcie e g osiągnie wartość >U TO. Maksymalna wartość chwilowa napięcia na obciążeniu: U Lmax =U m -U TO (Rys. 4.14) Jeżeli R L małe (prąd obciążenia duży), trzeba uwzględnić rezystancje diody r T : U Lmax =U m R L /(R L +r T ) (Rys. 4.15). Jeżeli zarówno U m jak i rezystancja obiążenia R L są małe, należy uwzględnić zarówno napięcie progowe jak i rezystancje diody. U Lmax =U m R L /(R L +r T ) -U TO (Rys poniżej) Rys Przebiegi napięć w prostowniku jednopołówkowym dla modelu diody (c). Napięcie wejściowe (a), napięcie na diodzie (b), napięcie na obciążeniu (c) Dioda pracująca w układzie prostownika jednopołówkowego z obciążeniem rezystancyjnym: - dopuszczalny średni prąd przewodzenia, I o >U m /R L - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >U m Prostownik jednopołówkowy z filtrem pojemnościowym Przebieg napięcia na Rys ma bardzo dużą składową zmienną. W celu zmniejszenia składowej zmiennej stosuje się filtrowanie napięcia wyjściowego przez dołączenie kondensatora równolegle do obciążenia. Kondensator ładuje się przez diodę do napięcia U m, po czym rozładowuje się przez obciążenie do chwili, gdy dioda znowu zacznie przewodzić. Składowa zmienna (międzyszczytowa wartość tętnień U L ) jest tym mniejsza im większa jest stała czasowa obwodu R L C. Gdy R L C U L 0. Na Rys pokazano prostownik jednopołówkowy z filtrem pojemnościowym (a), napięcie wejściowe (b), napięcie na obciążeniu (c), prąd diody i prąd obciążenia (d) oraz napięcie na diodzie (e). Widać czas ładowania kondensatora t l oraz czas rozładowania t r. Jeżeli t l /t r jest mały to i U L jest mniejsze. Dioda pracująca w układzie prostownika jednopołówkowego z filtrem pojemnościowym musi spełniać warunki: 7

8 - dopuszczalny średni prąd przewodzenia I o >U L /R L - dopuszczalny powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FRM >I L t r /t l - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >2U m Rys Prostownik jednopołówkowy z filtrem pojemnościowym Prostownik dwupołówkowy z transformatorem Rys Układ prostownika dwupołówkowego (a), przebieg napięcia wejściowego (b), napięcia na obciążeniu (c), prądu diody pierwszej (d), prądu diody drugiej (e) w funkcji czasu. 8

9 W uzwojeniu wtórnym uzyskuje się dwa napięcia sinusoidalne o jednakowych amplitudach, przesunięte w fazie o 180 o u 2 (t)=-u 1 (t). W pierwszej połowie okresu przewodzi dioda D 1, w drugim dioda D 2. U śr =2U m /, I śr =2U m / R L. Prąd wyprostowany jest więc 2 razy większy niż dla pr. jednop. ale średni prąd płynący przez każdą diodę pozostaje bez zmian. Diody pracujące w układzie prostownika dwupołówkowego powinny mieć: - dopuszczalny średni prąd przewodzenia I o >U m / R L, - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >2U m. Prostownik dwupołówkowy z transformatorem i filtrem pojemnościowym Rys Prostownik dwupołówkowy z filtrem pojemnościowym i odpowiednie przebiegi: napięcie na wejściu e g, oraz przebieg napięcia na obciążeniu U L. Diody pracujące w układzie takiego prostownika powinny mieć: - dopuszczalny średni prąd przewodzenia I o >U L /2R L - dopuszczalny powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I FRM >I L t r /t l - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >2U m Prostownik dwupołówkowy mostkowy W dodatnim półokresie napięcia e g prąd płynie w obwodzie D 1, R L, D 2, w ujemnym półokresie: D 4, R L, D 3. Zawsze dwie diody pracują szeregowo. Rys Prostownik dwupołówkowy mostkowy oraz przebiegi: (b) napięcie na wejściu, (c) prąd obciążenia, (d) napięcie na obciążeniu 9

10 Wymagania: - dopuszczalny średni prąd przewodzenia I o >U m / R L - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >U m Jeżeli podłączyć do obciążenia równolegle kondensator wymagania są takie same jak dla prostownika dwupołówkowego z transformatorem i kondensatorem filtrującym za wyjątkiem - dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne U RWM >U m. DIODY UNIWERSALNE Przeznaczone do zastosowań w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy (diody Ge do 100 V i 100 ma oraz 100 MHz). Parametry statyczne: - napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F - prąd wsteczny I R przy określonym napięciu wstecznym U R Parametry dynamiczne: - pojemność diody dla określonej częstotliwości i napięcia wstecznego - sprawność detekcji Dopuszczalne parametry graniczne: - maksymalny stały prąd przewodzenia I Fmax - maksymalny szczytowy prąd przewodzenia I FMmax - maksymalne stałe napięcie wsteczne U Rmax - maksymalne szczytowe napięcie wsteczne U RMmax - dopuszczalna temperatura złącza T j Rys Układ detektora amplitudy Stosuje się w układach detekcji amplitudowej, układach ograniczników, detektorach odbiorników FM oraz demodulatorach pierścieniowych. Detektor ma za zadanie odtworzyć sygnał modulujący z sygnału zmodulowanego amplitudowo. Zadaniem filtru RC jest wyeliminowanie składowej nośnej. 10

11 STABILITRONY (Stabilistory) - (Diody Zenera) Diody warstwowe p-n przeznaczone są do pracy w układach stabilizacji napięć, ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. Typowy obszar pracy - na zboczu opadającym charakterystyki I-U. Aktualnie stabilitrony produkuje się na napięcia kilkuset woltów. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilitronu z zaznaczonymi parametrami charakterystycznymi Parametry statyczne: - napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia - prąd wsteczny I R przy określonym napoięciu wstecznym U R - napięcie stabilizacji U Z odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji - temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKU Z =1/U Z du Z /D T I Z =const Parametr dynamiczny: - rezystancja dynamiczna r Z = U Z / I Z przy określonym prądzie stabilizacji, rezystancja przyrostowa Dopuszczalne parametry graniczne: - maksymalny stały prąd przewodzenia IFmax - maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji I Zmax =P max /U Z - maksymalna moc strat P max Podział stabilitronów na: - małej mocy <1W - średniej mocy 1W<P max <10W - dużej mocy >10W - bardzo dużej mocy >100W W zakresie małych wartości prądu I Z TKU Z <0 (przeważa przebicie Zenera), w miarę wzrostu prądu I Z rośnie udział przebicia lawinowego i TKU Z >0. Bardzo dobrą stabilność temperaturową uzyskuje się w stabilitronach skompensowanych (dioda Zeneraszeregowo ze złączem p-n spolaryzowanym w kierunku przewodzenia: TKU Z <10-5 / o C. Dla stabilizacji małych napięć stosuje się diody krzemowe dyfuzyjne (BAP ). Diody stabilizujące prąd polowe ograniczniki prądu (tranzystory polowe). 11

12 Zależność temperaturowego współczynnika napięcia stabilizacji TKUz od napięcia stabilizacji U z. Zależność rezystancji dynamicznej r z od napięcia stabilizacji U z dla dwóch wartości prądu stabilizacji I z. Analiza graficzna pracy diody jako stabilizatora napięcia. Punkt przecięcia charakterystyki I-U z prostą obciążenia wyznacza wartość prądu płynącego w obwodzie i napięcie na stabilitronie (wyjściowe). Przy dużej zmianie napięcia wejściowego napięcie wyjściowe zmienia się niewiele. 12

13 Schematy zastępcze modele odcinkami liniowe Stabilizatory napięcia stałego: - układy bez sprzężenia zwrotnego (parametryczne) - układy ze sprzężeniem zwrotnym Przykład zastosowań schemat zasilacza ze stabilizatorem parametrycznym składającym się z diody Zenera i rezystancji szeregowej R 1. Zadaniem stabilizatora jest uniezależnienie napięcia wyjściowego U L od zmian napięcia U i oraz od zmian obciążenia. 13

14 Powtórka Przełączanie diody t s czas magazynowania. Diody małej mocy ns, diody mocy - s. Warunek prostowania: relacja okresu napięcia wejściowego do czasu magazynowania. Diody Schotky ego 100 ps, u D =0,3 V. Symbol graficzny. Stabilistron Dostępne napięcia V, u D =0,6 V. Duża zmiana prądu I D powoduje niewielką zmianę napięcia U AK. Stabilizacja gdy r s = U AK / I D Diody pojemnościowe (waraktory) Pojemność warstwy zaporowej gdy napięcie wsteczne. Pojemność maksymalna pf, stosunek pojemności minimalnej i maksymalnej 1:5. Obwody rezonansowe o częstotliwości rezonansowej przestrajanej napięciem (UHF) 14