Твердотельная електроника / Tverdotila_elektronika

меншого шляху набув кінетичної енергії, достатньої для іонізації нейтральних атомів, треба мати більше прискорювальне поле.

Параметри випрямних діодів

До цих параметрів належать:

постійна Uï ð , виміряна при даному постійному Iï ð ;

постійний I çâ , виміряний при даній постійній U çâ ;

середнє значення випрямленого струму Iâñåð усереднюється за період;

прямий Rï ð та зворотний Rçâ опори діода при даних

Uï ð та U çâ ;

диференціальний опір діода rä dU / dI ;

максимально допустима зворотна напруга Uçâmax ;

максимально допустимий середній прямий струм

Iï ðñåð max ;

максимально допустима середня розсіювана

2.3 Напівпровідникові стабілітрони

Стабілітронами називаються діоди, які призначені для стабілізації рівня напруги в електронних схемах. З цією метою використовують діоди, ВАХ яких має ділянку зі слабкою залежністю напруги від струму, що протікає. Як стабілітрони використовуються площинні кремнієві діоди, на зворотній гілці ВАХ яких ділянка стабілізації створюється внаслідок лавинного або тунельного пробою

(рис. 2.2).

На ВАХ рис. 2.2 межі ділянки стабілізації позначені точками А та В. Положенню точки А відповідає напруга

49

пробою стабілітрона Uï ðî á , яка залежить від питомого

опору вихідного матеріалу, тобто від концентрації домішок. Точка В відповідає граничному режиму, в якому на стабілітроні розсіюється максимально допустима потужність.

Рисунок 2.2 – ВАХ напівпровідникового стабілітрона

Низьковольтні стабілітрони (Uñò 6 В) виготовляють із сильнолегованого кремнію (з великими концентраціями N A та N Ä ), p-n перехід у них вузький, у ньому тунельний

пробій відбувається при невеликих напругах. Стабілітрони з Uñò 8 В виготовляються з малою концентрацією домішок,

p-n перехід у них широкий, і в ньому більш імовірним є

лавинний пробій.

При напругах стабілізації від 6 до 8 В у стабілітронах може бути як лавинний, так і тунельний пробій. Концентрація домішок впливає не лише на величину Uï ðî á (Uñò ), а й на зміну ВАХ при зміні температури.

Для стабілітронів з малою концентрацією домішок зростання температури приводить до збільшення кількості

50

вільних носіїв заряду і зменшення їх рухомості. Тому в таких стабілітронах при зростанні температури розвиток лавиноподібного процесу розмноження носіїв унаслідок ударної іонізації почнеться при більшій зворотній напрузі, тобто Uï ðî á збільшується (рис. 2.2).

У низьковольтних стабілітронах (з великою концентрацією домішок) зі зростанням температури зменшується ширина ЗЗ, зростає ймовірність тунельного пробою (переходу носія з ВЗ однієї області в ЗП іншої області), який і відбувається при менших напругах, ніж це було при початковій температурі, тобто Uï ðî á зменшується.

Для стабілізації низьких напруг (біля одного вольта) використовують пряму гілку ВАХ діода при Uï ðî á >UK . У

цьому режимі в кремнієвих діодах також спостерігається слабка залежність напруги від струму, що протікає. Такі прилади називають стабісторами, їх характеристика зображена на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3 – Характеристика стабістора

До параметрів стабілітронів належать:

напруга стабілізації Uñò при даному струмі стабілізації;

мінімально допустимий струм стабілізації Iñò min ;

51

максимально допустимий струм Iñò max ;

максимально допустима потужність Pmax , що

розсіюється стабілітроном;

диференціальний опір rñò dUñò / dIñò ;

температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН), який визначається відношенням відносної зміни напруги стабілізації ( Uñò /Uñò ) до абсолютної зміни температури при постійному Iñò :

Із розглянутої температурної зміни ВАХ стабілітронів випливає, що низьковольтні стабілітрони (Uñò 6 В) мають

від’ємний ТКН, високовольтні (Uñò 8В) – додатний ТКН. Для зменшення температурної залежності Uñò послідовно

зі стабілітроном включають у прямому напрямі діод, який має ТНК протилежного знака. Цей спосіб використовується в прецизійних стабілітронах типу Д818, які мають усередині одного корпуса кілька послідовно з’єднаних переходів.

Прикладом стабілітрона може бути КС 168А – стабілітрон кремнієвий, призначений для пристроїв широкого вжитку, напруга стабілізації 6,8 В, допустима максимальна потужність не перевищує 0,3 Вт. Приклад стабістора: 2С107А – стабістор кремнієвий спеціального призначення, напруга стабілізації Uñò 0, 7 В, допустима

потужність Pmax 0,3Вт.

Застосування стабілітронів розглянемо на прикладі найпростішого параметричного стабілізатора постійної напруги (рис. 2.4). При збільшенні U âõ одразу зростає Uâèõ ,

робоча точка на ділянці стабілізації зміщується донизу, що означає зменшення опору стабілітрона. Струм через

52

2.4 Універсальні діоди

До універсальних (високочастотних) діодів належать одноперехідні напівпровідникові прилади, що застосовують для випрямлення (при меншому електричному навантаженні), модуляції, детектування та інших нелінійних перетворювань електричних сигналів, частота яких не перевищує 1000 МГц. Третій елемент їх позначення – цифра 4.

На високих частотах можна вважати, що діод має односторонню провідність, якщо Zçâ Zï ð , де Z çâ , Zï ð

повні зворотний та прямий опори діода.

При прямому включенні діода ємність Ñäèô зашунто-

53

точково-контактного або мікросплавного способів його виготовлення. Тому універсальні діоди – це здебільшого точкові або мікросплавні діоди. Останні розраховані на більші допустимі струми і мають кращі характеристики при зворотному включенні.

ВАХ універсального діода (рис. 2.5) не має ділянки насичення на зворотній гілці. Це пояснюється, зокрема, нагріванням унаслідок незадовільного відведення тепла й ударною іонізацією, що спричиняється неоднорідністю електричного поля у переході.

До параметрів універсальних діодів належать, крім перелічених у п. 2.2, ємність діодів при заданій зворотній напрузі, а також діапазон робочих частот і температур.

54

I

30

20

10

75 50 25

0 1 2 3 U

0,5

Рисунок 2.5 – ВАХ універсального діода

2.5 Імпульсні діоди та перехідні процеси в них

Імпульсні діоди використовують як ключові елементи в пристроях імпульсної техніки. За конструкцією і характеристиками вони нагадують універсальні діоди. Крім високочастотних властивостей (мінімальної ємності Ñáàð ),

ці діоди повинні мати мінімальну тривалість перехідних процесів у момент вмикання та вимикання.

Перехідні процеси у діодах існують завжди й особливо виявляються при роботі з імпульсами малої тривалості або миттєвими перепадами напруг і струмів. Вони пов’язані з процесами накопичення та розсмоктування носіїв у базі діода.

Розглянемо ці фізичні процеси (рис. 2.6 та 2.7) при високому рівні інжекції.

При вмиканні прямого струму Iï ð i в момент t1 у базі

діода поступово наростає надлишкова концентрація неосновних нерівноважних носіїв заряду (рис. 2.6 в). У початковий момент внаслідок малої кількості цих носіїв електропровідність приладу незначна (опір бази великий), і пряма напруга на діоді буде завищеною (як спад напруги на великому опорі бази діода при протіканні Iï ð i ). У міру

55

накопичення неосновних носіїв (інжекції) опір бази

Час tóñò t4 t1 називається часом установлення прямого опору.

Uпр max

1,2Uпр

Uпр

Якщо тепер перемкнути діод, тобто Uï ð замінити на запірну U çâ в момент t5 (рис. 2.7 а), то зворотний струм I çâ різко зростає до значення Içâmax (рис. 2.7 б) внаслідок того, що опір бази не може зрости миттєво. Ще у стані прямого

56

ввімкнення діода поле p-n переходу виштовхує дірки з n- області бази, створюючи дрейфовий струм. Безпосередньо після моменту перемикання t5 ефективність екстракції стає

значно вищою (за рахунок зменшення дифузійного струму), і нерівноважні дірки розсмоктуються з бази, збільшуючи її опір (рис. 2.7 в). Розсмоктуванню неосновних носіїв з бази сприяє й рекомбінація дірок з електронами. Цей процес проходить впродовж часу відновлення зворотного опору

Рисунок 2.7 – Перехідні процеси в діоді при вимиканні

57

Швидкодія імпульсних діодів збільшується за допомогою введення спеціальних легуючих домішок, які зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв. Такими домішками до НП n-типу є, наприклад, золото.

Іншим способом зменшення часу відновлення зворотного опору бази є використання бази з нерівномірною концентрацією домішок. Це можна здійснити, наприклад, за допомогою дифузії акцепторів до НП n-типу. На рисунку 2.8 показано розподіл різниці концентрацій акцепторів та донорів і створення p-n переходу в НП.

EБ

0

База x

Емітер

Рисунок 2.8 – Створення переходу з нерівномірним розподілом донорів у базі дифузією акцепторів до НП n-типу

З рисунка бачимо, що концентрація домішок у базі при наближенні до p-n переходу зменшується, тому нерівномірною буде й концентрація основних носіїв – електронів. Унаслідок цього електрони дифундують у бік p-n переходу, залишаючи за собою нескомпенсований заряд позитивних іонів. У базі виникає електричне поле EÁ ,

спрямоване в бік переходу. Під дією цього поля дірки, інжектовані до бази при вмиканні діода в прямому напрямі, накопичуються біля межі p-n переходу. При перемиканні діода з прямого напряму на зворотний ці дірки під дією

58