3.6.7. Діоди Шотткі

Діод Шотткі – це напівпровідниковий діод, випрямні властивості якого ґрунтуються на використанні випрямного електричного переходу між металом та збідненим шаром напівпровідника.

Як відомо ( див. розд. 2.9.), за умови відповідного співвідношення робіт виходу металу та напівпровідника можна на контакті метал – напівпровідник сформувати збіднений шар. Наявність такого шару забезпечує несиметрію ВАХ, а отже, і широке застосування діодів Шотткі як нелінійного двополюсника. Варто звернути увагу на особливості таких діодів. У НД на базі ЕДП основним фізичним процесом, який обмежує діапазон робочих частот, є процес накопичення та розосередження неосновних носіїв заряду в базі. Випрямна дія діодів Шотткі ґрунтується на перенесенні заряду лише основними носіями через випрямний контакт металу з напівпровідником, тобто в них виключається інжекція неосновних носіїв. Так, на основі випрямного переходу Шотткі стало можливим створення випрямних, імпульсних та надвисокочастотних НД, які відрізняються від діодів з p-n‑переходом кращими частотними властивостями. Бар’єр Шотткі широко використовують для виготовлення як дискретних, так і інтегральних схем, зокрема, в ІМС транзисторно-транзисторної логіки з бар’єром Шотткі, що дозволило суттєво підвищити швидкодію.

Cилові (потужні) діоди Шотткі для силової електроніки виготовляють на основі кремнію n-типу. Вони мають робочі струми до декількох сот амперів, винятково високу швидкодію (порівняно з діодами на основі p‑n‑переходу), але низькі робочі напруги. У діодах з бар’єром Шотткі при U_F = 0,4...0,6 В прямий струм становить одиниці амперів, а гранична частота – декілька сотень кілогерців. Діоди Шотткі з малим спадом напруги у разі прямого вмикання та малою тривалістю відновлення зворотного опору мають значні переваги перед кремнієвими та германієвими діодами .

Слід зазначити ще одну з особливостей діода Шотткі: пряма гілка ВАХ реальних діодів повністю відповідає виразу (3.1), тобто в діоді Шотткі ln I_F = f(U_F). Ураховуючи це, діоди Шотткі можна використовувати як логарифмічні елементи. Як недоліки діодів Шотткі треба виокремити значно більші (на 3...4 порядки) зворотні струми порівняно з діодами на основі p-n‑переходів і нижчі значення напруги пробою.

Промисловість випускає арсенід-галієві імпульсні діоди Шотткі, які використовуються в імпульсних схемах піко- та наносекундного діапазонів. Вони мають значно менші площі випрямних переходів, ніж у випрямних діодах Шотткі. Тому загальна ємність цих переходів не перевищує 1 пФ навіть при нульовій постійній напрузі зміщення. Арсенід-галієві та ім­пульсні діоди за частотними властивостями можна вважати надвисокочас­тотними діодами.

3.7 Поточний самоконтроль

3.7.1. Завдання для моделювання та дослідження схем в середовищі MS

3.7.1.1. Сформуйте модель однопівперіодного випрямляча в середовищі MS. Розрахуйте та експериментально налаштуйте такий пристрій для створення на навантажені 1 кОм. постійної напруги 10 В з коефіцієнтом пульсації 0.1 при частоті вхідного сигналу f = 1 кГц. Визначте необхідну ємність конденсатора фільтра.

3.7.1.2. Сформуйте модель мостового випрямляча. Проведіть розрахунки та експериментальні дослідження за умов, поданих в попередньому завданні. Порівняйте одержані значення ємностей конденсаторів фільтрів.

Рис.3.21. Детектор АМ-коливань

3.7.1.3. Процес детектування АМ-коливань описано в розділі 1.3. Побудуйте модель амплітудного детектора (рис.3.21 ), дослідіть, зафіксуйте та поясніть осцилограми на вході і виході ( при включенні та відключенні перемикача J1) , якщо частота несучої складає 10 кГц та 30 кГц за частоти огинаючої 1000 Гц.

3.7.1.4. Дослідіть частотні властивості НД 1N4002 (аналог КД243Б). Сформуйте модель схеми, подану на рис.3.21. Виставте на виході генератора гармонійні сигнали частотою 50 Гц 5кГц, 30 кГц амплітудою 1 В. Зафіксувати та пояснити осцилограми на вході та виході.

Порівняти результати з паспортними параметрами НД КД243Б

3.7.1.5. Дослідіть НД 1N3600 ( аналог КД509А) в режимі великих амплітуд с генератором напруги та визначте тривалість відновлення зворотного опору.

Рис.3.23. Модель схеми (а) та осцилограми (б) дослідження імпульсних діодів

На вхід від генератора подається послідовність прямокутних імпульсів частотою 100 МГц (шпаруватістю 5% ) та амплітудою 1…5.В. Змінюючи тривалість розгортки осцилографа, встановити форму імпульсів, подану на рис. 3.23,б. За допомогою візірних лінійок виміряти тривалість відновлення зворотного опору НД Т2 - Т1 (наприклад, 447.761 ps ).

Дослідити залежність тривалості відновлення зворотного опору НД від рівня інжекції

( амплітуди сигналу ) при подачі прямокутних імпульсів амплітудою 1В, 3 В, 5 В.

3.7.1.6. Побудуйте модель та експериментально дослідіть параметричний стабілізатор напруги 7.5 В при зміні струму навантаження від 1мА до 10 мА

Рис.3.24. Модель схеми для дослідженняпараметричного стабілізатора напруги

Визначте межі зміни вхідної напруги та струму навантаження, за яких відбувається стабілізація вихідної напруги. Що необхідно змінити для розширення вказаних діапазонів. Аналогом стабілітрону BZX55C7V5 є прилад КС126К. Ознайомтесь з його паспортними параметрами.

Визначте та побудуйте графіки залежностей: вихідної напруги, струму стабілітрона, струму навантаження від вхідної напруги; вихідної напруги, струму стабілітрона, струму навантаження від опору навантаження при його зміні від 300 Ом до 5 кОм.

3.7.1.7. Дослідіть та накресліть осцилограми напруг на виході обмежувача (рис.3.25.) при подачі на вхід гармонійних та імпульсних сигналів амплітудою менше 1 В при включених перемикачах J1 та J2. Підключити джерело сигналів амплітудою 5 В та за допомогою перемикачів J1 і J2 сформувати на виході імпульси, форма яких показана на рис.3.26.

Рис.3.25. Модель схеми для дослідження обмежувача

Рис. 3.26.

Різновиди сигналів

а – вхідний сигнал;

б - обмежений зверху;

в – обмежений зниху;

г – обмежений зверху та з низу.

3.7.1.8. Резонансний контур (рис.3.19) замінити інтегруючою схемою( рис.3.27). Дослідити залежність межової частоти fв від ємності варикапа ( за напруги керування 10%, 50% та 90% від 12 В ).

Рис.3.27. Модель пристрою для керування верхньою межовою частотою інтегруючої схеми