Часть 1

Сравнение характеристик германиевых и кремниевых диодов показывает:

1)значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых, при одинаковой площади перехода. Это объясняется различной шириной их запрещенной зоны;

2)допустимое обратное напряжение у кремниевых диодов больше, чем у германиевых, за счет различной ширины запрещенной зоны;

3)падение напряжения на кремниевых диодах больше, чем на германиевых, при одинаковых токах нагрузки, что обусловлено большим сопротивлением базовой области кремниевых диодов.

в

г

Рис. 4.9. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов:

а – зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; б – зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения; в – эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот; г – конструкция выпрямительного диода большой мощности

81

Параметры выпрямительных диодов:

1.Средний выпрямленный ток Iпр.ср. – среднее за период значение выпрямленного тока, который может длительно протекать через диод при допустимом его нагреве (сотни микроампер – десятки ампер).

2.Среднее прямое напряжение Unp.ср. – среднее значение прямого падения напряжения, определяемое при среднем выпрямленном токе, для

германиевых диодов Unp.cp. < 1 В, для кремниевых Uпр.ср. < 1,5 В.

3. Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.mаx – максимально допустимое обратное напряжение, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы; Uобр.mаx на 20 % меньше напряжения пробоя Uпроб.. Для германиевых диодов Uпроб. = 100...400 В, для кремниевых – 1000...1500 В.

4.Максимальный обратный ток Iобр.mаx – максимальное значение обратного тока диода при Uобр. mаx.

5.Средняя рассеиваемая мощность Рср. – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании Iпр.ср. (сотни милливатт – десятки ватт).

6.Диапазон рабочих температур: для германиевых диодов

–60...+85 °С; для кремниевых диодов –60...+125 °С.

7.Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного напряжения составляет единицы – десятки пикофарад.

8.Диапазон рабочих частот.

9.Дифференциальное сопротивление rдиф.

4.5. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого-то уровня неизменным. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольт-амперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего то-

ка (рис. 4.10).

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счет легирующих добавок в полупроводнике ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.

Так как участок электрического пробоя находится на обратной ветви ВАХ, то стабилитрон используется при обратном включении (рис. 4.11).

82

Рис. 4.10. Рабочий участок ВАХ стабилитрона и его параметры

Рис. 4.11. Конструкции и схема включения стабилитрона (параметрический стабилизатор)

Резистор Rо задает ток через стабилитрон таким образом, чтобы ве-

личина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.mах. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации.

Принцип действия. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Rо могут уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из

83

вольт-амперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и URо увеличиваются, а напряжение на нагрузке все равно остается постоянным и равным напряжению стабилизации.

Вывод: стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при из-

менении тока через него от Iст.min до Iст.mах. Основные параметры стабилитронов:

·Напряжение стабилизации Uст..

·Минимальное, максимальное и номинальное значения тока стабилизации Iст.min, Iст.mах, Iст.ном. (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Определение параметров стабилитрона

·DUст. – изменение напряжения стабилизации.

·Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации:

·Температурный коэффициент стабилизации:

На рис. 4.13 приведено пояснение к расчету ТКС, t1 > t2.

84

Рис. 4.13. Пояснение к расчету ТКС

Для стабилизации или ограничения коротких импульсов напряжения используют импульсные стабилитроны. Они должны обладать большим быстродействием, которое определяется временем перезарядки барьерной емкости. Примером таких стабилитронов являются 2С175Е, КС182Е, КС211Е и др.

Двуханодные стабилизаторы применяются в схемах стабилизации и двухстороннего ограничения напряжения, устройствах защиты элементов электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей. Они имеют два р-n-перехода, включенных встречно, а их внешние выводы сделаны от р-областей. Это 2С170А, 2С182А и др.

Стабисторами называют диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Особенностью стабисторов является малое напряжение стабилизации UCT (0,35...2,25 В), которое определяется прямым падением напряжения на диоде. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или в одном кристалле.

Примером стабисторов являются приборы КС107, 2С113А, 2С119А, и у них используется прямая ветвь ВАХ (рис. 4.14).

85

Рис. 4.14. ВАХ стабисторов

Применяются стабисторы в прямом включении.

В современной РЭА все чаще встречаются специальные защитные диоды высокого быстродействия TVS (Transient VoltageSuppression).

В качестве токоотводящих элементов ESD защиты могут использоваться импульсные стабилитроны. Они включаются параллельно цепям питания в обратном включении. Происходящий электрический или тепловой пробой предотвращает проникновение в схему кратковременных скачков напряжения и тока и повреждение элементов от, например, статического разряда.

4.6. Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная емкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной емкости, управляемый напряжением (рис. 4.15). Они находят применение для автоматической подстройки частоты радиоприемников, в частотных модуляторах, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты, в управляемых фазовращателях. Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости р-n-перехода от внешнего напряжения.

Диффузионная емкость не нашла практического применения из-за сильной зависимости ее от температуры и частоты, высокого уровня собственных шумов и низкой добротности. Практическое применение получила барьерная емкость р-n-перехода, величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения.

86

Рис. 4.15. Эквивалентная схема и схема включения варикапа

Принцип действия. Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается.

Cб = e × e0D× Sp - n .

X

При подключении обратного напряжения ширина перехода Х увеличивается, следовательно, барьерная емкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика

(рис. 4.16) С = f(Uобр.).

С ростом частоты добротность падает. Зависимость добротности варикапа от частоты имеет максимум в диапазоне 20...30 МГц.

Добротность уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает rб. С увеличением обратного напряжения емкость Сбар. и сопротивление rб. уменьшаются, ибо уменьшается толщина базы, а добротность варикапа при этом растет.

Рис. 4.16. Вольт-фарадная характеристика варикапа

87

Основные параметры варикапов

Параметры варикапов следующие:

1.Максимальная емкость Св.max – емкость варикапа при заданном минимальном напряжении Uобр., ограничена значением емкости Со.

2.Минимальная емкость Св.min– емкость варикапа при заданном максимальном напряжении Uобр., ограничивается обратным допустимым

напряжением р-n-перехода Uобр.доп..

3.Коэффициент перекрытия по емкости К = Св.max / Св.min (единицы – десятки единиц).

4.Сопротивление потерь Rn – суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

5.Температурный коэффициент емкости ТКЕ – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

6.Номинальная емкость Св.ном.– представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальном (оптимальном) напряжении Uобр.ном..

7.Добротность варикапа QB – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению

потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения: QB = Xc/Rn. Добротность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе (десятки – сотни единиц).

4.7. Импульсные, высокочастотные (ВЧ)

исверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

4.7.1.Импульсные диоды. Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах и должны обладать малой емкостью перехода и малым временем жизни неравновесных носителей заряда в базе. Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нанодо нескольких микросекунд. Рассмотрим работу обычного p-n-перехода при подаче на него импульсного напряжения (рис. 4.17, 4.18).

Рис. 4.17. Схема работы p-n-перехода при подаче на него импульсного напряжения

88

Uвх

Iвх

Рис. 4.18. Процессы протекания тока через диодный ключ

Впромежуток времени от 0 до t1 p-n-переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t1 p-n-переход открывается, в зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника, диода и на-

грузки форма тока через нагрузку в интервале t1 – t2 будет отличаться от прямоугольной. В случае, когда внутреннее сопротивление источника больше внутреннего сопротивления диода, он работает как источник тока

иимеет форму, изображенную на рис. 4.18 линией 1, если наоборот, то входной источник превращается в источник напряжения и форма напряжения на нагрузке имеет вид, изображенный линией 2. В общем случае ток через диод и через нагрузку достигает стабильного (установившегося) зна-

чения не мгновенно, а за время tуст., которое необходимо для заряда барьерной емкости p-n-перехода. Определение этого времени производится по графику в зависимости от соотношения сопротивлений. Например, время установления прямого тока определяется по моменту достижения током значения в 1,1 – 1,2 от установившегося значения тока либо 0,9 для случая с источником тока.

Вмомент времени t2 p-n-переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n-перехода возвращаются в n-область, за счет чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из

89

р-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p-n-переход вос- станавливает свои «закрытые» свойства. Численно этот момент определя-

ют по уровню 0,1 Iуст. [2] В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют зо- лотом для увеличения подвижности электронов. Для уменьшения времени

переходных процессов при изготовлении обеспечивают неравномерное распределение примесей в кристалле, что вызывает накопление заряда в полупроводнике и уменьшает в 30 – 50 раз время восстановления [3]. Та- кие диоды называют диодами с накоплением заряда (ДНЗ).

Параметры импульсных диодов следующие:

1.Максимальное импульсное прямое падение напряжения Uпр.и max –

максимальное падение напряжения на диоде в прямом направлении при заданном прямом токе.

2.Время установления прямого сопротивления tуст. – время от мо-

мента включения прямого тока диода до момента достижения заданного уровня прямого напряжения на диоде.

3.Время восстановления обратного сопротивления tвос. – время с момента переключения диода с прямого на обратное импульсное напряже- ние до достижения обратным током заданного значения.

4.Емкость диода Сд – емкость между выводами диода при заданном обратном напряжении.

5.Постоянный обратный ток Iобр. – ток диода при заданном обрат- ном напряжении.

6.Постоянное прямое напряжение Uпр. – падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Заряд переключения Q – избыточный заряд, вытекающий во внеш- нюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратный.

4.7.2.Диоды ВЧ. Это универсальные диоды, которые могут быть де- текторными, модуляторными, импульсными при достаточных длительно- стях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Уни- версальными называют высокочастотные диоды, применяемые для вы- прямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразо- ваний электрических сигналов, частота которых не превышает 1000 МГц. Вторым элементом обозначения универсальных диодов является буква Д. На схемах они изображаются так же, как и выпрямительные диоды. Диод

90