Литература / (тоже супер) физосновы для экз

10–103 Ом см и увеличивается на несколько порядков при увеличении температуры выше определенного значения (в области перехода в так называемую параэлектрическую модификацию).

Вольт-амперная характеристика позистора имеет вид, показанный на рисунке 3.6ж. Максимальное значение тока на ней Ik, которое соответствует напряжению Uk, называют пороговым, или током опрокидывания. Электрическая мощность, рассеиваемая в позисторе при токе Ik и напряжении Uk, равная Pk = UkIk, становится достаточной для его разогрева выше «температуры переключения», при которой сопротивление резко увеличивается. Пока ток через позистор меньше Ik (I < Ik) и напряжение на нем меньше Uk (U < Uk), сопротивление позистора мало. При достижении током значения Ik он разогревается. Сопротивление его увеличивается, а ток уменьшается. При этом падение напряжения на позисторе будет больше, чем Uk. Установившееся значение тока и падение напряжения можно найти, исходя из баланса рассеиваемой в позисторе электрической мощности

и мощности, отдаваемой в окружающую среду. Температурная зависимость сопротивления у одного из типов позистора ТРП-9 показана на рисунке 3.6з. Из нее видно, что пока температура меньше 120°C, сопротивление позистора изменяется мало. Его значение порядка 10 Ом

взоне температур 0–100°C. Как только позистор нагревается свыше 120°C, его сопротивление существенно увеличивается (на несколько порядков). В итоге ток в электри-

ческой цепи резко уменьшается. Температурный коэффициент сопротивления за точкой с температурой 120°C равен 14–17%/град.

Так как изменение сопротивления связано с температурой позистора, которая не может измениться мгновенно, динамические свойства принято характеризовать временем опрокидывания. Под ним понимают промежуток времени, в течение которого начальный ток уменьшается

вдва раза. Время опрокидывания, оцениваемое секунда-

ми, зависит от значения начального тока и уменьшается при его увеличении.

Позисторы обычно используются для токовой защиты электрических цепей различного назначения, например для защиты блоков питания. Пока блок питания работает в нормальном режиме, мощность, рассеиваемая в позисторе, меньше, чем Pk. Температура его существенно ниже 120°C и сопротивление имеет низкую величину (около 10 Ом у ТРП-9). При увеличении нагрузки на блок питания ток первичной обмотки повышается. Если мощность, рассеиваемая на позисторе, превысит значение Pk, то он нагревается. Его сопротивление увеличивается, что приводит к уменьшению тока в первичной обмотке и его ограничению на том уровне, при котором будет обеспечиваться баланс энергий рассеиваемой на позисторе и отдаваемой в окружающую среду.

Основные параметры позисторов

1.Номинальное сопротивление при температуре 25°С (омы — десятки ом).

2.Допуск на номинальное сопротивление,% (обычно

±30%).

3.Температура переключения (порядка 120°С).

4.Ток опрокидывания Iопр, равный при температуре 25°С пороговому току Ik (280–390 мА у ТРП-9).

5.Предельное значение тока опрокидывания, при котором начинается ограничение тока при любой температуре из рабочего диапазона температур окружающей среды, заданного для конкретного позистора (420–500 мА

уТРП-9).

6.Время опрокидывания (время уменьшения начального тока в 2 раза, у ТРП ≤ 2 с).

7.Максимальное напряжение (у ТРП-9 60 В).

8.Кратность изменения сопротивления (≥ 103).

9.Остаточный ток Iост при максимальном напряжении (30 мА у ТРП-9).

10.Предельное значение номинального тока Iном, при котором гарантируется устойчивая работа (без переключения) во всем диапазоне температур окружающей среды (150–200 мА у ТРП-9).

11.Температурный коэффициент сопротивления (14– 17%/°С).

12.Максимальная мощность (1,5 Вт у ТРП-9).

13.Постоянная времени (20 с у ТРП-9).

14.Коэффициент рассеивания (12 мВт/°С у ТРП-9).

15.Теплоемкость (0,24 Дж/°С у ТРП-9).

16.Наработка на отказ (20 000 ч у ТРП-9).

3.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

3.3.1.Характеристики и параметры полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n-переходом

идвумя выводами.

Взависимости от технологических процессов, используемых при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, диоды Ганна и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную — базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют p-n-, p-i-, n-i-переходы, а также переходы «металл — полупроводник». Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается выражением

где Iпр — результирующий ток через p-n-переход при приложении прямого напряжения; IT — называют тепловым

или обратным током, током насыщения; U — приложенное к p-n-переходу прямое напряжение; ϕT — температурный потенциал.

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток IT при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2–10 мА.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт-амперную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. У германиевых диодов Iобр ≈ IT, у кремниевых Iобр IT. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Тепловой ток и остальные составляющие обратного тока сильно зависят от температуры. Для теплового тока справедлива зависимость

где T = T – T0; IT(T0) — тепловой ток при температуре T0; α — постоянный коэффициент (для германия αGe ≈ 0,09 К –1 при T < 350 К, для кремния αSi ≈ 0,13 К –1 при

T< 400 К).

Спомощью выражения (3.20) можно ориентировочно определять обратный ток при разных температурах p-n-перехода у германиевых диодов. В кремниевых дио-

дах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика: Iобр ≈ 103 IT. У них обратный ток в основном определяется генерационнорекомбинационными явлениями в p-n-переходе.

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользо-

где T — приращение температуры, при котором обратный ток Iобр(T0) удваивается (T ≈ 8–10°C для германия

иT ≈ 6–7°C для кремния).

Впрактике часто считают, что обратный ток германиевых диодов увеличивается в два раза, а кремниевых —

в2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. При этом фактическое изменение обратного тока обычно занижается. Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом коэффициенте инжекции. С учетом падения напряжения на базе диода запишем уравнение прямой ветви вольтамперной характеристики диода:

где rб — омическое сопротивление базы диода. Прологарифмировав (3.22), найдем падение напряже-

ния на диоде:

Для малых токов I (3.23) имеет вид

U ≈ ϕTln(I/IT + 1).

Падение напряжения на диоде U зависит от тока I, протекающего через него, и имеет большое значение у диодов с малым IT. Так как у кремниевых диодов тепловой ток IT мал, то и начальный участок прямой ветви характеристики значительно более пологий, чем у германиевых (рис. 3.7).

Рис. 3.7

Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов; условное обозначение (в)

При увеличении температуры прямая ветвь характеристики становится более крутой из-за увеличения IT и уменьшения сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же значению прямого тока, при этом уменьшается, что оценивается с помощью температурного коэффициента напряжения (TKU) ε:

Температурный коэффициент напряжения показывает, насколько должно измениться напряжение на p-n- переходе при изменении температуры на 1°C при I = const,

ε= 2,2 мВ/град.

Внастоящее время наиболее широко применяются микросплавные и мезадиоды (мезаэпитаксиальные),

атакже диоды с диффузионной базой.

Рассмотрим некоторые типы диодов, применяемых в низкочастотных цепях.

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. В выпрямительных диодах применяются также и p-i-переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой.

Для этой же цели иногда используют p+-p-или n+-n- переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n-переходы, в результате чего получается структура p+-p-n- или n+-n-p-типа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряжения пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо применять полупроводник с высоким удельным сопротивлением. Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70–80°C, кремниевые — до 120–150°C, арсенид-галлиевые — 150°C. В настоящее время, благодаря успехам технологии, температурный диапазон существенно расширен.

Основные параметры выпрямительных диодов

иих значения у маломощных диодов

1.Максимально допустимое обратное напряжение

диода Uобр max — значение напряжения, приложенного

вобратном направлении, которое диод может выдержать

втечение длительного времени без нарушения его работоспособности (десятки — тысячи вольт).

2.Средний выпрямленный ток диода Iвп. ср — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод (сотни миллиампер — десятки ампер).

3.Импульсный прямой ток диода Iпр. и — пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода Iобр. ср — среднее за период значение обратного тока (доли микроампер — несколько миллиампер).

5.Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока Uпр. ср (доли вольт).

6.Средняя рассеиваемая мощность диода Pср д — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни милливатт — десятки и более ватт).

7.Дифференциальное сопротивление диода rдиф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы — сотни ом).

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов

1.Общая емкость диода Сд (от долей до нескольких пикофарад).

2.Максимальное импульсное прямое напряжение

Uпр. и max.

3.Максимально допустимый импульсный ток Iпр. и max.

4.Время установления прямого напряжения диода tуст — интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем — зависит от скорости движения внутрь базы инжектированных через переход неосновных носителей заряда, в результате которого наблюдается уменьшение ее сопротивления (доли наносекунд — доли микросекунд).

5.Время восстановления обратного сопротивления диода tвос — интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки, в которых переход выполнен на основе контакта «металл — полупроводник». У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе p-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь

впределах 8–10 декад (декада — изменение значения

в10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли — десятки наноампер). Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах. Условное обозначение диода Шоттки и эквивалентная схема диода приведена на рисунке 3.8г, д.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном направлении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой (сравнительно высокоомных) пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для создания p-n- перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля

вp-n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях

вp-n-переходе возникает сильное электрическое поле, вы-