Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
31
– прямое напряжение на диоде при заданном значении
прямого тока;
– максимально допустимое обратное напряжение;
– обратный ток при заданном обратном напряжении;
– диапазон рабочих температур окружающей среды.
По значению максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды делятся на диоды малой мощности
(до 0,3 А), средней мощности (0,3 А … 10 А) и большой мощности (более 10 А).
Необходимую площадь р-n-перехода рассчитывают на основе значений допустимого прямого тока, исходя из допустимой
плотности прямого тока 200 А/см
2
для кремниевых
р-n-переходов. Максимально допустимые прямые токи кремни-
евых плоскостных диодов составляют 0,1 … 1000 А. Падение
напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно
1,5 В. При повышении температуры прямое напряжение уменьшается из-за уменьшения высоты потенциального барьера
р–n-перехода.
Обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет участка
насыщения, так как обратный ток в них обусловлен генерацией
носителей зарядов в р-n-переходе. Пробой носит лавинный характер.
Германиевые диоды имеют ряд отличий от кремниевых:
– прямое напряжение на германиевом диоде при максимальном токе почти в два раза меньше, чем на кремниевом из-за
меньшей высоты потенциального барьера; это единственное
преимущество германиевых диодов;
– обратный ток германиевых диодов имеет участок насыщения, что обусловлено процессом экстракции неосновных носителей заряда из прилегающих к р-n-переходу областей;
– значительно большая плотность обратного тока в германиевых диодах, так как при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии больше на несколько порядков, чем в кремнии;
– обратные токи в германиевых диодах больше, чем в
кремниевых, поэтому пробой в них носит тепловой характер,
пробивное напряжение у них меньше, чем у кремниевых, и
уменьшается с ростом температуры;
32
– верхняя предельная рабочая температура германиевых
диодов значительно ниже, чем у кремниевых;
– германиевые диоды чувствительны даже к кратковременным импульсным перегрузкам при обратном напряжении,
тогда как кремниевые диоды способны выдерживать значительные импульсные перегрузки.
Импульсные диоды
При быстрых изменениях напряжения на диоде
в р-n-переходе возникают переходные процессы, обусловленные
двумя основными явлениями. Первое — это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении. При
смене напряжения на обратное или при его уменьшении рассасывание этого заряда не может происходить мгновенно, на это
требуется определенное время. Второе явление — это перезарядка барьерной емкости.
Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, перезарядка барьерной емкости
в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым
явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.
Импульсный диод — это диод с малой длительностью пе-
реходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования
высокочастотных сигналов и для других целей.
Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим
прямым токам. Поэтому при переключении диода с прямого
направления на обратное в начальный момент через диод идет
большой обратный ток (рис. 2.11), ограниченный объемным сопротивлением базы. По мере развития переходного процесса
накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или
уходят через р-n-переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время
восстановления (t
вос
) — интервал времени от момента прохож-
33
дения тока через нуль после переключения диода до момента
достижения обратным током заданного низкого значения.
Рис. 2.11. Переходные процессы при запирании диода
При пропускании импульса тока в прямом направлении
наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рис. 2.12), что связано с повышенным напряжением до
тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в
базе диода.
Рис. 2.12. Переходные процессы при отпирании диода
t
u
t
U
оcт
t
уст
0 0 i
t
вос
t
u
t
U
пр
U
обр
I
пр
I
нас
0 0 i
34
После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается. Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода — временем установления прямого
напряжения (t
уст
), равным интервалу времени от начала импуль-
са тока до достижения заданного значения прямого напряжения.
Диоды Шоттки
Диод Шоттки — это полупроводниковый прибор, ис-
пользующий выпрямляющие свойства электрического перехода
между металлом и полупроводником.
Характерной особенностью перехода Шоттки в отличие от
р-n-перехода является разная высота потенциальных барьеров
для электронов и дырок. Благодаря этому при включении перехода Шоттки в прямом направлении прямой ток возникает из-за
движения основных носителей заряда из полупроводника в металл, а носители из металла (неосновные для полупроводника)
практически не могут перейти в полупроводник из-за высокого
потенциального барьера на переходе. Поэтому накапливания
этих носителей в базе диода не происходит.
Основные отличия диодов Шоттки от диодов с p-n-
переходом:
– более низкое прямое падение напряжение;
– более низкое обратное напряжение;
– более высокий ток утечки;
– почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.
Отсутствие неосновных носителей заряда, требующих
время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение диода Шоттки. Максимальное
напряжение современных диодов Шоттки составляет около
150 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шоттки
меньше прямого напряжения на диодах с p-n-переходом на
0,2 … 0,3 В. Преимущества диода Шоттки особенно заметны
при выпрямлении малых напряжений.
Кроме рассмотренных типов диодов в радиоэлектронике
находят широкое применение сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды, работающие на частотах СВЧ-диапазона (> 300 МГц). Они
35
делятся на смесительные диоды, предназначенные для преобразования СВЧ-сигналов в сигналы промежуточной частоты, де-
текторные диоды, выполняющие функцию детектирования
сигнала, то есть выделения из модулированного высокочастотного сигнала низкочастотной модулирующей составляющей,
переключательные диоды, применяемые в устройствах управления уровнем СВЧ-мощности. В основе работы СВЧ-диодов заложено использование свойств перехода Шоттки с различными
конструктивными и технологическими особенностями.
Диоды позволяют не только выполнять различные преобразования сигналов различных частотных диапазонов, но и могут служить генераторами колебаний (обычно СВЧ-диапазона).
Примером могут служить лавинно-пролетные диоды, работающие в режиме лавинного размножения носителей заряда при
обратном смещении, или туннельные диоды, созданные на основе вырожденных полупроводников с очень высокой концентрацией носителей: 10
18
… 10
20
см
-3
. Способность генерировать
электрические колебания у этих приборов объясняется наличием в их ВАХ участков с отрицательным сопротивлением, то есть
участков, на которых происходит уменьшение тока при повышении напряжения.
36
3. ПРИМЕНЕНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Полупроводниковые диоды обладают односторонней про-
водимостью благодаря вольт-амперной характеристике
p–n-перехода или перехода Шоттки и вследствие этого находят
широкое применение в радиотехнических устройствах. Нелинейность прямой ветви вольт-амперной характеристики используется для преобразования спектра входного сигнала, например,
для детектирования модулированных сигналов или выделения
суммарной либо разностной частоты при подаче на вход двух
сигналов разной частоты. Односторонняя проводимость диодов
используется для выпрямления переменного тока, то есть преобразования его в пульсирующий ток одного направления, из
которого затем с помощью фильтров получают постоянный по
величине и направлению ток.
Явление пробоя и обратная ветвь ВАХ после пробоя
p-n-перехода используется в диодах специальной конструкции
(стабилитронах) для стабилизации напряжения и тока в нагрузке
при случайных изменениях этих величин. Барьерная емкость
p-n-перехода и ее зависимость от величины обратного напряжения используются для электрического управления емкостью
различных электрических цепей, например, колебательных контуров, с применением диодов специальной конструкции — варикапов.
3.1. Диодный выпрямитель
Переменный ток промышленной частоты 50 Гц, энергией
которого питается абсолютное большинство бытовых и промышленных приборов и машин не пригоден для питания радиоэлектронных устройств, для работы которых необходимы источники питания постоянного (по величине и направлению) тока или напряжения. Получение такого тока или напряжения из
переменного осуществляется в несколько этапов, одним из которых является выпрямление. В результате этой операции из
синусоидального переменного тока получают постоянный по
37
направлению, но изменяющийся по величине пульсирующий
ток (напряжение). На рис. 3.1 приведена временная диаграмма
диодного однополупериодного выпрямителя, где для пояснения
принципа работы участок прямой ветви ВАХ заменен линией и
добавлена координатная ось времени, позволяющая изобразить
закон изменения входного напряжения диода от времени.
Рис. 3.1. Временная диаграмма
однополупериодного выпрямления
Диод открыт и пропускает ток только при положительной
полуволне входного напряжения, а при отрицательной полуволне на диод действует запирающее обратное напряжение, и
ток в цепи не проходит, с учетом принятой нами идеализации
ВАХ. Ток в цепи представляет собой последовательность синусоидальных импульсов, длительность которых и интервал между ними равны половине периода.
Если в качестве нагрузки выпрямителя включить резистивный элемент (рис. 3.2), то падение напряжения на нем будет
повторять по форме ток. С помощью последующих операций
фильтрации и стабилизации из такого пульсирующего напря-
жения или тока получают постоянный не только по направлению, но и по величине ток.
u
i
t
t
i
T/2
T
38
Рис. 3.2. Схема однополупериодного диодного выпрямителя
Выпрямитель на рис. 3.2 называется однополупериодным,
поскольку ток в цепи протекает только одну половину периода.
Разработаны схемы выпрямителя, которые используют два или
четыре диода и позволяют получить синусоидальные импульсы
тока или напряжения в каждом полупериоде с одинаковой полярностью. Такие схемы называются двухполупериодными.
Операция фильтрации пульсирующего напряжения основана на использовании реактивных элементов, сопротивление
которых зависит от частоты. Выбрав конденсатор достаточно
большой емкости CФ и, включив его параллельно сопротивлению нагрузки RН (рис. 3.2), можно практически полностью избавиться от гармонических составляющих тока или напряжения в
нагрузке, сохранив при этом постоянную составляющую. Относительную пульсацию отфильтрованного выходного напряжения можно будет определить как:
.max .min
.max
δ
вых вых
вх
UU
U
−
=
,
(3.1)
где
.maxвых
U
и
.minвых
U
— максимальное и минимальное напря-
жение на выходе выпрямителя;
.maxвх
U
— максимальное напря-
жение на входе диодного выпрямителя.
VD
CФ R
Н
Е
U
39
3.2. Стабилизаторы напряжения
на основе стабилитронов
Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки
выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом
стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области
пробоя. Такие диоды называются стабилитронами. При обратном смещении стабилитрона возникает электрический лавинный
пробой p-n-перехода. При этом в широком диапазоне изменения
тока через стабилитрон напряжение на нем меняется незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с нм включают сопротивление. Если в режиме пробоя
мощность, расходуемая в нем, не превышает допустимую, то в
таком режиме стабилитрон способен работать неограниченно
долго. На рис. 3.3 приведены ВАХ стабилитронов.
Рис. 3.3. Вольтамперные характеристики стабилитронов
T=200C
T=600C
-1
1
-10
-3
стабилитроны
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
-2
-4
1
2
3
4
Д814В
Д814А
КС156
КС133
КС113
UСТ, В
IСТ, мА
40
Напряжение стабилизации на стабилитронах зависит от
температуры. На рис. 3.3 штриховой линией показано перемещение ВАХ при увеличении температуры. Повышение темпера-
туры увеличивает напряжение лавинного пробоя при
5
СТ
U В
и уменьшает его при
5
СТ
U В
.
Стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В
имеют положительный ТКН, а при
5
СТ
U В
— отрицательный.
При
5...6
СТ
U В=
ТКН близок к нулю.
Приведенный характер температурной зависимости
напряжения стабилитронов обусловлен различными видами
пробоя в них.
Стабилитроны с напряжением пробоя U
проб
< 5 В используют явление туннельного пробоя, который наблюдается в
p-n-переходах с резким распределением примеси и при высокой
степени легирования. С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается, поскольку при этом
уменьшается ширина p-n-перехода, и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости. Значение напряжения лавинного пробоя обычно
ВU
проб
7
, и зависит оно от ши-
рины запрещенной зоны Eg p-n-перехода. Большему значению
E
g
требуется большая энергия носителя для ударной ионизации,
а, значит, и напряжение пробоя будет больше. У стабилитронов
с напряжением пробоя 5 … 7 В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у
них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, так как ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.
Принцип стабилизации напряжения с помощью стабилит-
рона удобно пояснить с помощью схемы простейшего параметрического стабилизатора напряжения (рис. 3.4, а) и обратной
ветви ВАХ стабилитрона, представленной на рис. 3.4, б.
В режиме стабилизации через стабилитрон проходит ток
со значением
min maxст ст
II
, что достигается соответствующим
выбором значения балластного сопротивления R
Б
. Ток через со-
противление RБ равен сумме токов стабилитрона
СТ
i
и нагрузки
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]