5.3. Стабилитрон

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 125⁰ С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.

Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18:

Рис. 18

Здесь U_вх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. R_огр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение I_{обр.макс}. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой. Сопротивление нагрузки R_н включено параллельно стабилитрону. Поэтому напряжения на них равны и близки к напряжению пробоя U_пр. Напряжение на нагрузке, в зависимости от крутизны участка пробоя, остаётся более или менее стабильным.

5.4. Варикап

Варикап – диод, предназначенный для работы в режиме управляемой барьерной ёмкости C_б.

При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая N_д, существует ёмкостная составляющая обратного тока I_обр. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше C_б и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n

переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент. При прямом напряжении это невозможно, т.к. в этом случае появляется на несколько порядков больший активный прямой ток.

Подставив (26) в (16) с учётом того, что при обратном напряжении _к = _к0 + U_обр, получим:

C_б = [2εε₀(_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_д]^½ (28)

Из (28) следует, что барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Таким образом, p-n диод при U_обр является элементом с ёмкостью C_б, которую можно изменять.

При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость C_б(U_обр) была более сильной. В общем случае эта зависимость описывается выражением

C_б = [2εε₀(_к0 + U_обр)(N_а + N_д)/qN_аN_д]^m (29)

где m = 0,3…1.

Схема включения варикапа приведена на рис. 19. Здесь варикап

Рис. 19

включён как ёмкость последовательного колебательного контура. На него подаётся управляющее обратное напряжение U_упр. Изменяя это напряжение можно настраивать колебательный контур на необходимую резонансную частоту ω₀ = (1/√LC).

5.5. Диоды на основе p-I-n структуры

Значительно улучшить импульсные, частотные и другие свойства диодов позволяет использование p-i-n структуры. В такой структуре между p и n областями располагается i-область собственного полупроводника, рис. 20.

Рис. 20

Собственный полупроводник обладает на несколько порядков более низкой концентрацией свободных электронов и дырок по сравнению с p и n областями. Поскольку в таком полупроводнике примесей нет, эта область искусственно расширяет область неподвижного объемного заряда ионов при сохранении концентрации примесей в слоях p и n. В результате многократно возрастают w и сопротивление закрытого состояния, а также многократно уменьшается барьерная ёмкость.

Чтобы сохранить высокие значения градиентов концентрации ≈ dn/dw и ≈ dp/dw и, тем самым, сохранить большим диффузионный прямой ток, толщину i-области l делают не слишком большой:

l < L, (30)

где L – диффузионная длина – среднее расстояние, на котором концентрация диффундирующих в i-область носителей уменьшается в e раз из-за рекомбинации.

P-i-n диоды являются на сегодня одними из наиболее совершенных электронных ключей. Их обратный ток, барьерная ёмкость и сопротивление открытого состояния минимальны (у идеального ключа все эти параметры равны нулю).