4. Варикапы

В запертом состоянии запирающий слой p-n перехода имеет высокое сопротивление и выполняет роль диэлектрика. По обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +q_обр и −q_обр, созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси, вследствие чего p-n переход обладает емкостью. Эту емкость называют барьерной емкостью.

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависи­мость барьерной емко­сти от величины обратного напряжения и который пред­назначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ем­костью. Эта зависимость описывается вольт-фарадной характеристикой (рис. 2.7).

Основные параметры варикапов:

• номинальная емкость С_в – емкость при заданном обратном напряжении;

• коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений

.

(2.6)

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

5. Диоды с барьером Шоттки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шоттки. В этих диодах вместо p-n перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника.

Преимущества диодов с барьером Шоттки от диодов с p-n переходом, которые особенно важны при преобразовании высокочастотных сигналов:

• более низкое прямое падение напряжения (0,2…0,4 В) дает возможность применения на больших токах (десятки ампер);

• низкая емкость перехода металл-полупроводник позволяет значительно повысить рабочую частоту диода (сотни кГц), снизить уровень помех, излучаемый им и уменьшить броски тока при коммутации.

Недостатком диодов с барьером Шоттки является:

• низкое допустимое обратное напряжение – оно ограничено уровнем 250 В, при превышении которого диод выходит из строя, тогда как у обычного диода возникает обратимый электрический пробой;

• в сравнении с кремниевыми диодами имеют повышенные уровни обратных токов.

Диоды Шоттки нашли применение в высокочастотных выпрямителях, импульсных блоках питания.

6. Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами

   1. Расчет электрических цепей с выпрямительными диодами

В практических схемах в цепь диода последовательно включается какая-либо нагрузка, например рези­стор (рис. 2.8, а). Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

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 R_о и со­противления нагрузочного резистора R_н. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, и значение R_о у него изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока ведется графическим методом.

Задача состоит в следующем: известны значения Е, R_н и вольтамперная характеристика диода, требуется определить ток в цепи I и напряжение на диоде U_VD.

ВАХ диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связы­вающего величины I и U. Для сопротивления R_н подобным уравнением является за­кон Ома, который представляет собой вольтамперную характеристику линейного сопротивления:

(2.7)

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

Уравнение для сопротивления R_н – 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 (2.7) получаем: Е − U = 0 или U = Е, что соответствует положению точки А на рис. 2.10, б.

Если U = 0, то I = E/R_н. Откладываем этот ток на оси ординат (точка С). Через точки А и С проводим прямую, которая является линией на­грузки. Координаты точки пересечения двух ВАХ дают общее решение поставленной задачи (точка В).

Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если R_н  R_о. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять ток приближенно: I  E/R_н.

Рассмотренный метод расчета можно применить на переменном токе для мгновенных, ампли­тудных или действующих значений.

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

П ростейшая схема для выпрямления переменного тока, например изменяющегося по синусоидальному закону показана на рис. 2.9. В ней к источнику ЭДС переменного тока е последовательно подключены диод VD и нагрузочный ре­зистор R_н.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. В течение положительного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на рези­сторе R_н падение напряжения U_R. В течение отрицательного полупериода напряжение является обратным, ток практически отсутствует, поэтому U_R = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов положительной полярности, длящихся полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение. Графики временных диаграмм (рис. 2.11, б) иллюстрируют процессы, происходящие в выпрямителе.

Амплитуда напряжения U_пр.m положительных полуволн на диоде очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе R_н, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. Уравнение равновесия для рассматриваемой цепи согласно закону Кирхгофа

(2.8)

Таким образом, амплитуда положительных полуволн на диоде

(2.9)

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение не более 1…2 В. Напри­мер, пусть источник имеет действующее значение ЭДС Е = 200 В, что соответствует амплитудному значению . Если U_пр.m = 2 В, тогда U_Rm = 278 В.

При отрицательной полуволне подводимой ЭДС p-n переход оказывается включенным в обратном направлении – ток практически отсутствует, паде­ние напряжения U_R на резисторе равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, амплитудное значение обрат­ного напряжения равно амплитуде ЭДС источника

.

(2.10)