Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый  диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

В полупроводниковых  стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.

Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостный переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем.

Основные параметры  стабилитронов:

• напряжение стабилизации Uст (Uст = 1…1000В);
• минимальный Iст міn и максимальный Iст мах токи стабилизации (Iст міn » 1,0…10мА, Iст мах » 0,05…2,0А);
• максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмах;
• дифференциальное сопротивление на участке стабилизации rд = DUст/DIст , (rд » 0,5…200Ом);
• температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации:

TKU стабилитрона показывает на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С

(TKU = −0,5…+0,2 %/°С).

 

Рис.6 Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое обозначение

Стабилитроны  используют для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах.

Стабилизацию  низковольтного напряжения в пределах 0,3…1В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором. Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат.

Стабилитроны  допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов:

Uст = Uст1 + Uст2 +…

Параллельное  соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из-за разброса характеристик и  параметров из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение Uст, что вызовет перегрев стабилитрона.

4. ТУННЕЛЬНЫЕ И ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ

Туннельный  диод – это полупроводниковый  диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный  диод изготовляется из германия или  арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n- переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.

Основные параметры  туннельных диодов:

• пиковый ток Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ;
• ток впадины Iв − прямой ток в точке минимума ВАХ;
• отношение токов туннельного диода Iп/Iв;
• напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
• напряжение впадины Uв − прямое напряжение, соответствующее току впадины;
• напряжение раствора Uрр.

Туннельные  диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.

 

Рис.7 Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Обращенный  диод – диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина р-n- перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через р-n- переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р- области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь.

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление  у них соответствует обратному  включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Рис.8 Вольт-амперная характеристика обращенного диода

Обращенные  диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

5. ВАРИКАПЫ

Варикап – это  полупроводниковый диод, в котором  используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний.

Основные параметры  варикапов:

• номинальная емкость Св – емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ);
• коэффициент перекрытия по емкости ; (Кс = 5…20) – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений.

Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях.

Рис.9 Вольт-фарадная характеристика варикапа

6. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ДИОДАМИ

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис.10, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Режим диода  с нагрузкой называют рабочим  режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений, так как общее сопротивление цепи равно сумме сопротивления диода постоянному току Rо и сопротивления нагрузочного резистора Rн. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение Rо у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны значения Е, Rн и характеристика диода, требуется определить ток в цепи I и напряжение на диоде Uд.

 

Рис.10 Резистор

Характеристику  диода следует рассматривать  как график некоторого уравнения, связывающего величины I и U. А для сопротивления Rн подобным уравнением является закон Ома:

      (1)

Итак, имеются  два уравнения с двумя неизвестными I и U, причем одно из уравнений дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для  сопротивления Rн – это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия называемая линией нагрузки. Она строится по двум точкам на осях координат. При I = 0 из уравнения (1) получаем: Е − U = 0 или U = Е, что соответствует точке А на рис.10, б. А если U = 0, то I = E/Rн. откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки. Координаты точки D дают решение поставленной задачи.

Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если Rн >> Rо. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно: I » E/Rн.

Рассмотренный метод расчета постоянного напряжения можно применить для амплитудных или мгновенных значений, если источник дает переменное напряжение.

Поскольку полупроводниковые  диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых  диодов применяется для выпрямления переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис.11. В ней последовательно соединен источник переменного ЭДС – е, диод VD и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется однополупериодной.

Работа простейшего  выпрямителя происходит следующим  образом. В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе Rн падение напряжения UR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и UR = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе Rн выпрямленное напряжение. Графики на рис.11, б иллюстрируют процессы в выпрямителе.

 

Рис.11

Амплитуда положительных  полуволн на диоде очень мала. Это  объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе Rн, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

.   (2)

Для обычных  полупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В  и  . Если Uпр max = 2В, то UR max = 278В.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе Rн равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Простейшая  схема применения стабилитрона приведена  на рис. 3.12, а. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому, в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона.

Рассмотрим  случай, когда Е = const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max..

Значение Rогр можно найти по следующей формуле:

      (3)

где  Iср = 0,5(Iст min+Iст max) – средний ток стабилитрона;

Iн = Uст/Rн – ток нагрузки (при Rн = const);

Iн.ср = 0,5(Iн min+Iн max), (при Rн = var),

причем   и  .

 

Рис.12

Работу схемы  в данном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем, равное (Е − Uст), также постоянно, то и ток в Rогр, равный (Iст + Iн.ср), должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток нагрузки Iн изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если Iн увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Принцип действия стабилитрона рассмотрим на примере  цепи, состоящей из последовательно соединенного источника переменной ЭДС – е, стабилитрона VD и резистора R (рис.13, а).

В положительный  полупериод на стабилитрон подается обратное напряжение, и до величины напряжения пробоя стабилитрона все напряжение прикладывается к стабилитрону, так как ток в цепи равен нулю. После электрического пробоя стабилитрона напряжение на стабилитроне VD остается без изменений и все оставшееся напряжение источника ЭДС будет приложено к резистору R. В отрицательный полупериод стабилитрон включен в проводящем направлении, падение напряжения на нем порядка 1В, а оставшееся напряжение источника ЭДС приложено к резистору R.

Рис.13

 

Литература

1. Полупроводниковые  приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны,                    тиристоры: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988. -528с.: ил.

2. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.-592 с.: ил.

3. Основы микроэлектроники: Учеб. Пособие для вузов /И.П. Степаненко.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003.- 488 с.:ил.

4. Физические основы микроэлектроники. Курс лекций / И.И. Бобров, Г.В. Кропачев; Пермский государственный технический университет. Пермь, 2000. 130 c.