Konsp_Lec_MKREA

Лекция 12. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Стабилитроны.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного или зенеровского пробоя. В качестве рабочего участка ВАХ используется участок, на котором в широком диапазоне изменения тока напряжение на диоде меняется незначительно.

Обычно, для ограничения тока через стабилитрон и недопущения выхода на участок теплового пробоя, последовательно со стабилитроном включают сопротивление R (рис. 12.1). Если в режиме электрического пробоя мощность, расходуемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон способен работать неограниченно долго.

Рисунок 12. 1 – Схема включения стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

-напряжение стабилизации Uст ;

-температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНст ;

Важнейший параметр, который характеризует наклон ВАХ стабилитрона в области пробоя.

Следует заметить, что в широких p-n переходах при напряжённости поля

называемый зенеровский пробой. Зенеровский пробой при напряжении на

пробоя и итоговый ТКНст близок к нулю. Качественный характер зависимости ТКНст от напряжения стабилизации приведен на рис. 12.2.

Полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения используют прямую ветвь ВАХ, называют стабисторами. Стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Прямое

напряжение на диоде имеет отрицательный ТКНст , т.е. при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается.

Рисунок 12.2 – ВАХ стабилитронов

Система маркировки отечественных стабилитронов состоит из следующих элементов.

1 элемент – буква (или цифра), указывающая на материал полупроводника:

Г (или 1) – германий; К (или 2) – кремний;

А (или 3) – соединения галлия (например, арсенид галлия); И (или 4) – соединения индия (например, фосфид индия). 2 элемент – буква, определяющая подкласс приборов.

112

С – стабилитрон.

3 элемент – цифра, определяющая мощность стабилитрона.

4 элемент – две цифры, определяющие рабочее напряжение стабилизации.

5 элемент – буква, определяющая отличие параметров приборов, изготовленных по единой технологии.

Согласно данному определению, используют сочетания элементов 3 и 4, приведенные в табл. 12.1.

Таблица 12.1 – Маркировка мощности и напряжения стабилизации

Варикапы.

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная ёмкость p-n перехода. Эта ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения, с ростом которого уменьшается.

Использование варикапов позволяет реализовать электронную перестройку частоты колебательной системы путём регулирования переменной ёмкости (варикапа). Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и т.д.

Основные параметры варикапов следующие:

1.Начальная ёмкость Cнач ;

2.Добротность Qвар ;

113

3. Коэффициент перекрытия по ёмкости Kпер – отношение максимальной

ёмкости варикапа к его минимальной ёмкости, Kпер Cmax ;

Cmin

4.Температурный коэффициент ёмкости варикапа (ТКЕВ);

5.Предельная частота fпред , на которой добротность варикапа снижается

до 1.

Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа к активной мощности:

Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты. Характер зависимости добротности от данных параметров для варикапа КВ117А приведен на рис. 12.3.

Рисунок 12.3 – Добротность варикапа КВ117А

Схема замещения варикапа приведена на рис. 12.4. Здесь Rп – сопротивление материала полупроводника и контактной p-n области; Rш – сопротивление шунтирующих переход утечек; Сб – барьерная ёмкость.

Исходя из схемы замещения можно определить полное сопротивление варикапа

Тогда, в соответствии с (1) и 2, добротность

114

Сб Rш2

1 ( Сб Rш )2

т.е. уменьшается с ростом частоты.

Следовательно, добротность варикапа имеет максимум, как показано на рис. 12.5. Видно, что для варикапов, изготовленных из кремния, оптимальная частота составляет порядка 1 МГц, а для варикапов на основе арсенида галлия

– порядка 1 кГц.

Туннельные диоды.

Туннельные диоды – это полупроводниковые диоды, в которых используется туннельный эффект. Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n переход. Такой ток появляется при внешнем напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов,

115

при которой устраняется потенциальный барьер. Туннельный ток возникает в очень узких p-n переходах (порядка 10 нм) при больших напряжённостях поля

(порядка (5 7) 105 В/ см).

Рисунок 12.5 – Зависимость добротности варикапа от частоты

Туннельный ток в области прямого смещения вначале растёт до значения Imax , а затем резко убывает до значения Imin , как показано на рис. 12.6. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U2

число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает. При дальнейшем повышении напряжения прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, т.е. определяется процессом диффузии основных носителей заряда.

Рисунок 12. 6 – ВАХ туннельного диода

116

Ввиду очень малой ширины ОПЗ туннельного диода он практически безинерционный прибор, что способствует его использованию на высоких частотах (до 1 ГГц и более).

Спадающий участок на ВАХ туннельного диода – это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а значит, при напряжении на диоде в диапазоне от U1 до U2 , могут возникнуть автоколебания. При

использовании туннельного диода в схеме генератора колебаний имеется две возможности проведения нагрузочной линии (рис. 12.7).

Рисунок 12.7 – Способы проведения нагрузочной линии

Нагрузочная линия 1 пересекает ВАХ в точках A, B и C. В этом случае, при включении питания напряжение окажется равным наименьшему из возможных (напряжению в точке A). При этом дифференциальное сопротивление туннельного диода будет положительным и генерация колебаний невозможна.

Если же использовать нагрузочную линию 2, которая пересекает ВАХ только в одной точке B, то при подключении питания к схеме рабочая точка окажется на спадающем участке, что обеспечивает возможность возникновения колебаний.

Фотодиоды.

Фотодиоды – это полупроводниковые диоды, с открытым для воздействия света p-n переходом. Световой поток, падающий на открытый p-n переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей заряда, что увеличивает обратный ток.

Ток фотодиода равен

117

диапазон видимого излучения простирается от фиолетового цвета

380...440 нм до красного цвета 625...740 нм;

2.Интегральная чувствительность S . Зависит от площади p-n перехода и может изменяться в пределах S (10 3...1) мкА/ Лк;

3. Темновой ток Iтемн . Обычно невелик и имеет значение

Iтемн (10 2...1) мкА.

Светодиоды.

Светодиоды – это светоизлучающие полупроводниковые диоды, которые преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счёт рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла и называется фононной. В светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение является резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять полупроводниковый материал или изменять ток. Спектральные характеристики излучения светодиодов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов приведены на рис. 12.9.

Рисунок 12.9 – Спектральные характеристики светодиодов

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Справочник по радиоэлектронике. Т.1 / под ред. А.А. Куликовского. –

Энергия, 1967. – 648 с., ил.

3.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред.

А.Ф. Трутко: М., «Энергия», 1973. – 656 с., ил.

119

4.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – М.: Корона Принт, 2006. – 415 с.

5.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

120