Меню

Германиевого диода прямое напряжение диода

Материал, отказывающийся умирать: мощные германиевые приборы

Эти слова относятся к применению мощных германиевых приборов там, где не используется высокая скорость коммутации или высокие частоты. Несмотря на очевидный факт, что кремний, как полупроводниковый ма­териал, почти полностью заменил германий, экспериментаторы часто считают германиевые транзисторы и выпрямительные диоды в некото­рых случаях лучше, чем кремниевые. Например, в инверторах, работаю­щих с частотой 60 или 400 Гц от автомобильных аккумуляторов, приме­нение германиевых транзисторов может дать более высокий к.п.д., чем при использовании кремниевых из-за низкого напряжения насыщения германиевых транзисторов. Как было показано, это свойство достойно рассмотрения с точки зрения использования германиевого транзистора в схемах стабилизатора с низким падением напряжения. Вспомните, что мощные германиевые транзисторы были рпр-шпа, (имелось также много менее мощных германиевых лрл-транзисторов).

Германиевые плоскостные выпрямительные диоды прекрасно годят­ся для работы в низкочастотных приложениях. И снова из-за более низ­кого падения напряжения по сравнению с кремниевыми диодами. Кри­вые прямого падения напряжения (рис. 19.22) могут удивить тех конструкторов, которые работагхи только с кремниевыми диодами. Эти кривые похожи (или лучше) на характеристики кремниевых диодов Шот­ки. При выпрямлении напряжений на частотах 60 и 400 Гц применение германиевого диода обойдется дешевле, чем кремниевого диода Шотки, особенно если обратное напряжение больше 20 В. Хотя и германиевые диоды и кремниевые диоды Шотки имеют высокую обратную проводи­мость в районе максима[1ьных обратных напряжений и высоких темпе­ратур, причины у них различны. Более серьезно этот недостаток сказы­вается в диоде Шотки, где он быстрее может привести к разрушению. В обоих устройствах нагхичие высокого обратного тока ухудшает выпрям­ление и приводит к дополнительному рассеянию мощности. Германие­вые диоды обычно оказываются надежными в этом отношении, если температура их перехода не превышает 90^*0 (некоторые диоды Шотки работают до ISO’^C или выше).

Германиевые приборы, как и электронные лампы, в настоящее вре­мя не имеют широкого применения. Когда-то они выпускались в боль­ших количествах фирмами Motorola, Deico, RCA и другими. Многие из прежних типов теперь выпускаются фирмой Germanium Power Devices Соф., Box 3065, Shawsheen Village, Station, Andover, MA 01810. Техничес­кая литература этой компании должна представлять особый интерес для экспериментирующих с электромобилями, где обычно можно приме­нять массивные радиаторы. Эта фирма поставляет мощные германиевые р/|/?-транзисторы, рассчитанные на токи по крайней мере 100 А, и гер­маниевые диоды на токи 500 А. Номинагхьные напряжения лежат в диа­пазоне 20 – 60 В, но не редки мощные транзисторы с V^^^ выше 95 В.

Сторонники германиевых устройств не оставляют интереса к ним не по сентиментальным или ностальгическим причинам, а скорее всего по­тому, что с их помощью в некоторых прикладных задачах можно полу­чить хорошие характеристики. В предшествующих параграфах, касаю­щихся этой темы, всегда отмечагюсь, что германиевые диоды создаются на основе перехода. До сих пор в этом не было необходимости. Вы представляете, что те германиевые диоды, которые используются в си­ловых цепях не могут быть ничем иным, кроме перехода (точечные

германиевые диоды были и остаются устройствами для слабых сигналов; это же справедливо для туннельных диодов).

Рис. 19.22. Падение прямого напряжения у типичного германиевого выпрямительного диода. Для некоторых приложений, связанных с постоянными напряжениями и низкими частотами, германиевые диоды продолжают привлекать внимание. Germanium Power Devices.

Germanium Power Devices Соф. теперь торгует целым рядом герма­ниевых диодов Шотки с номинальными токами до 400 А. Как и у крем­ниевых диодов Шотки их работа основана на использовании только ос­новных носителей и потому нет никакого явления накопления заряда, приводящего к ухудшению частотной характеристики. Таким образом, время восстановления этих диодов составляет около 70 не. Прямое па­дение напряжения в большинстве случаев равно 200 – 350 мВ. Таким об­разом, германиевый диод Шотки превосходит в этом отношении все дру­гие диоды. Его можно считать электрически надежным устройством, устойчивым к обратным напряжениям или броскам прямого тока. В на­стоящее время это низковольтные устройства с пиковым обратным на­пряжением ограниченным величиной 20 В. Модули, состоящие из двух диодов, удобны для применения в двухтактных выпрямителях с отводом от средней точки трансформатора.

На момент выхода книги это было относительно новое устройство. Фирма отмечает успешное применение этих диодов в ИИП, работаю­щем с частотой 250 кГц. Такую частоту переключения, вероятно, следу­ет рассматривать как некоторую рекламу. С точки зрения консерватора, я считаю, что частота переключения все же должна быть 100 кГц, а ра­боту с более высокими скоростями следует исследовать эксперименталь­но. Эти цифры в некоторых случаях сравнимы с возможностями других устройств.

Читайте также:  Как снимать напряжение в ногах

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Особенности кремниевых и германиевых диодов. Какие диоды лучше?

Кремниевые и германиевые диоды

Выпрямительные диоды представляют собой электронные устройства, которые используются для управления направлением тока в электрической цепи. Двумя широко используемыми материалами для диодов являются германий и кремний.

В то время как оба (германиевый диод и кремниевый диод) выполняют аналогичные функции, между ними имеются определенные различия, которые необходимо принимать во внимание, прежде чем разрабатывать ту или иную электронную схему с применением диодов.

Кремниевые диоды

Производство кремниевого диода начинается с очищения кремния. На каждой стороне диода имплантируются примеси (бор на стороне анода, мышьяк или фосфор на стороне катода), а соединение, где встречаются примеси, называется «p-n-переходом».

Кремниевые диоды имеют прямое смещение напряжения 0.7 В. Как только разность напряжений между анодом и катодом достигает 0.7 В, диод начнет проводить электрический ток через его p-n-переход. Когда разность напряжений падает менее 0.7 В, p-n-соединение прекратит проводить электрический ток, и диод перестанет функционировать как электрический путь.

Поскольку кремний является относительно простым и недорогим для получения и обработки материалом, кремниевые диоды более распространены, чем германиевые диоды.

Германиевые диоды

Германиевые диоды изготавливаются аналогично кремниевым диодам. В германиевых диодах также используется p-n-переход и имплантируются те же примеси, которые имплантируются в кремниевые диоды. Однако германиевые диоды имеют напряжение смещения 0.3 вольта.

Германий – это редкий материал, который обычно встречается с медными, свинцовыми или серебряными отложениями. Из-за своей редкости германий дороже, из-за чего германиевые диоды встречаются реже кремниевых диодов, к тому же в некоторых случаях они могут быть дороже.

Какие диоды лучше использовать: кремниевые или германиевые?

Гермиевые диоды лучше всего использовать в маломощных электрических цепях. Более низкое напряжение прямого смещения приводит к меньшим потерям мощности и делает схему более эффективной по электрическим характеристикам. Гермиевые диоды также подходят для прецизионных цепей, где колебания напряжения должны быть сведены к минимуму. Однако германиевые диоды можно гораздо легче вывести из строя, чем кремниевые диоды.

Кремниевые диоды являются превосходными диодами общего назначения и могут использоваться практически во всех электрических цепях, где требуется диод. Кремниевые диоды более долговечны, чем германиевые диоды, и их намного легче получить. Как уже было написано выше, германиевые диоды подходят для прецизионных цепей, но если не существует особых требований к германиевому диоду, обычно предпочтительнее использовать кремниевые диоды при проектировании схемы.

Источник

Электроника

учебно-справочное пособие

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводники — вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Сопротивление полупроводников сильно зависит от температуры и концентрации примесей. В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний.

Носителями зарядов в полупроводниках являются свободные электроны (-) и дырки(+). Дырка — место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон.

Виды полупроводников

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными.

Полупроводники, в которых свободных электронов значительно больше, чем дырок, называют полупроводниками nтипа. Примеси в таких полупроводниках называют донорами. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Полупроводники, в которых свободных дырок значительно больше, чем электронов, называют полупроводниками pтипа. Примеси называют акцепторами. Дырки — основные носители, а электроны — неосновные.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности —р-n переходе.

Устройство полупроводникового диода

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным (р-n) переходом (основная часть) и двумя выводами. Вывод из р-области называется – анодом, из n-области – катодом.

В зависимости от формы и размера p-n-перехода различают плоскостные (рис. 1) и точечные диоды (рис. 3). У точечных диодов форма p — n перехода в виде точки, у плоскостных — в виде плоскости, имеющей значительную площадь. Плоскостные диоды могут пропускать значительные токи, но работают на невысоких частотах. Точечные диоды наоборот могут работать на высоких частотах, но пропускают маленькие токи.

К металлическому основанию плоскостного диода, называемому кристаллодержателем, припаивается пластинка полупроводника n-типа. Сверху в нее вплавляется капля металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у ее поверхности слой р-типа. К кристаллодержателю и индию привариваются проводники, которые служат выводами диода.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения pecahta ach 3000

Рис. 1 — Устройство плоскостного диода (справа — плоскостной выпрямительный диод Д242Б)
1 — изолятор, 2 — корпус, 3 -вывод анода, 4 — припой, 5 — кристалл,
6 — кристаллодержатель, 7 — внешние выводы

Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заостренной пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы. Металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под острием р-область.

Рис. 2 — Устройство точечного диода (справа — точечный диод КД522Б)
1 — выводы, 2 — стеклянный баллон, 3 — пластинка полупроводникаи, 4 — металлическая проволочка-пружина

Чем больше площадь р-n-перехода, тем больший ток может через него протекать и тем больше его емкость. Плоскостные полупроводниковые диоды применяются в электрических цепях, в которых протекают большие токи и когда емкостные свойства не оказывают заметного влияния на работу диода. Точечные диоды применяются в цепях с малыми токами и в высокочастотных устройствах.

Для защиты от механических повреждений, попадания на полупроводник света, пыли и влаги его помещают в герметический корпус.

Условные графические обозначения
полупроводниковых диодов

Условные графические обозначения полупроводниковых диодов

Диод полупроводниковый выпрямительный, общее обозначение
Стабилитрон и стабистор
Стабилитрон с двусторонней проводимостью
Варикап
Диод Шоттки
Светодиод
Фотодиод

Способы включения диода

Если к диоду подключить внешний источник напряжения плюсом к аноду (р-области), а минусом к катоду (n-области), такое подключение называется прямым включением (рис. 3), а протекающий через него ток — прямым током.


Рис. 3 — Прямое включение диода

Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к катоду и минусом к аноду, такое включение диода называют обратным включением(рис. 4), а протекающий через него ток — обратным током. При большом значении обратного напряжения происходит пробой р-n-перехода.


Рис. 4 — Обратное включение диода

Пробой может быть тепловым или электрическим. При тепловом пробое разрушается кристалл и свойства р-n-перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. е. свойства р-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

Вольтамперная характеристика диода

График, приведенный на рис. 7, называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода. Из ВАХ диода видно, что сила протекающего через него тока зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении ток большой (мА, А), а при обратном напряжении — в сотни и даже тысячи раз меньше (мкА, мА).

Рис. 5 — Типовые вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого полупроводниковых
диодов, масштаб по оси тока и напряжения меняется при переходе через начало координат

Левая часть характеристики называется обратной ветвью характеристики, правая часть — прямой ветвью.

Основные параметры диодов

К этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

В большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы 1 будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Основные характеристики выпрямительных диодов

Обозначение Описание
Iпр.max Максимально допустимый постоянный прямой ток
Iобр Постоянный обратный ток
Uпр Постоянное прямое напряжение
Uобр.max Максимально допустимое обратное напряжение
Pmax Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде
Pср Средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
Iпр.ср.max Максимально допустимый средний прямой ток
Iвп.ср.max Максимально допустимый средний выпрямленный ток
Uобр Постоянное напряжение , приложенное к диоду в обратном направлении
Iпр.ср Прямой ток, усредненный за период
Iобр.ср Обратный ток, усредненный за период
Rдиф Дифференциальное сопротивление — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока
Uпр.ср Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока

Классификация диодов

Признак классификации Наименование диода
  • Выпрямительные — для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Импульсные — имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
  • Стабилитрон — для стабилизации постоянного напряжения (примерно от 3,5 В и выше) на нагрузке. В стабилитронах используется участок обратной ветви ВАХ в области электрического пробоя.
  • Стабистор — для стабилизации напряжения порядка 1 В. Используется прямая ветвь ВАХ. Включают в прямом направлении.
  • Варикап — используется зависимость емкости от значения приложенного обратного напряжения. Применяется в качестве элементов с электрически управляемой емкостью.
  • Сверхвысокочастотный (СВЧ) – полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (до десятков и сотен гигагерц).
  • Детекторные — предназначены для детектирования сигнала.
  • Смесительные — предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
  • Переключательные — для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
  • Туннельный
  • Обращенный
  • Диод Шотки
  • Излучающий (светодиод)
  • Фотодиод.
Читайте также:  Как определить действующее значение напряжения в цепи переменного тока

Принцип работы полупроводникового диода

В основу работы диода положено свойство p-n-перехода хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо в другом. Диод состоит из одного p-n-перехода и проводит ток в одном направлении только тогда, когда величина напряжения, приложенного к диоду, больше величины потенциального барьера. Для германиевого диода минимальное внешнее напряжение равно 0,3 В, а для кремниевого — 0,7 В.

Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легировать примесями типа р, а с другого — примесями типа n, то между областями с различным типом проводимости образуется р-n-переход. Некоторые дырки из области р диффундируют в область n. В результате область р получает небольшой отрицательный заряд. Аналогичным образом электроны из области n диффундируют в область р, и область n оказывается заряженной положительно. В тонком слое между областями n и р элек­троны и дырки рекомбинируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов, и переход находится в состоянии динамического равновесия (рис. 6, а).

Если внешнее напряжение приложено к выводам диода таким образом, что анод (А) имеет положительный потенциал по отношению к катоду (К), то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потенциальный барьер при этом снижается, что способствует протеканию тока через переход. С увеличением внешнего напряжения ток через переход возрастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным величине потенциального барьера, т. е. результирующее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание тока через переход ограничивается только сопротивлением полупроводникового материала. Если полярность внешнего напря­жения изменить на обратную, то величина потенциального барьера возрастет, и основные носители не смогут преодолеть потенциальный барьер. В этих условиях, однако, через переход будет протекать незначительный ток, называемый обратным током. При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при постоянном напряжении ток быстро возрастает (рис. 6, б).

Рис. 6 — Полупроводниковый переход с потенциальным барьером:
а — образованным диффузией носителей зарядов;
б — вольт-амперная характеристика полупроводникового диода,
Масштаб по оси тока меняется при переходе через начало координат

Таким образом, при смещении перехода в прямом направлении через него будет протекать достаточно большой ток, а при обратном смещении, меньшем пробивного, ток, протекающий через переход, крайне мал. Иными словами, такое устройство действует, как выпрямитель.

Выпрямительные диоды

Основное предназначение выпрямительных диодов – преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д.

В качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Кремниевые диоды применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Мощность выпрямительных диодов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

    Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты.

Рис. 7 — Выпрямительные диоды малой мощности

Рис. 8 — Выпрямительный диод средней мощности

Рис. 9 — Выпрямительные диоды высокой мощности

Источник

Adblock
detector