Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

51

лупроводниковые диоды в прямом направлении или терморезисторы с ТКС противоположного знака.

Для уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации используют прецизионные стабилитроны, у которых имеются три последовательно соединенных р– n перехода. Один из них – стабилизирующий и включен в обратном

ограничения коротких импульсов напряжения используют импульсные стабилитроны. Они должны обладать большим быстродействием, которое определяется временем перезарядки барьерной емкости. Примером таких стабилитронов являются 2С175Е, КС182Е, КС211E и др.

Двуханодные стабилизаторы применяются в схемах стабилизации и двухстороннего ограничения напряжения, устройствах защиты элементов электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей. Они имеют два p– n перехода, включенных встречно, а их внешние выводы сделаны от p– областей. Это 2С170А, 2С182А и др.

Стабисторами называют диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Особенностью стабисторов является малое напряжение стабилизации Uст ≈(0,35…1,9) В, которое определяется прямым

падением напряжения на диоде. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или в одном кристалле.

Примером стабисторов являются приборы КС107, 2С113А, 2С119А.

2.14. Варикапы

Варикапы – это специальные полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости.

Они находят применение в схемах автоматической подстройки частоты радиоприемников, в схемах частотных модуляторов, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты, в управляемых фазовращателях.

52

Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости p–n перехода от внешнего напряжения.

Диффузионная емкость не нашла практического применения из-за сильной зависимости ее от температуры и частоты, высокого уровня собственных шумов и низкой добротности. Практическое применение получила барьерная емкость p–n перехода, величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения. Эта зависимость Cбар = f (Uобр) описывается

вольт–фарадной характеристикой, аналитическое выражение которой имеет вид

На рис. 2.14 представлена вольт–фарадная характеристика и одна из схем включения варикапа. При изменении напряжение смещения, подаваемого на варикап с помощью резистора R1, изменяется емкость диода. Изменение емкости варикапа приводит к изменению частоты колебательного контура при изменении емкости диода включается резистор R2, сопротивление которого больше резонансного сопротивления контура.

На рис. 2.15 показана эквивалентная схема варикапа, где rб – объемное сопротивление базы; Rобр – учитывает дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; Cбар – эквивалент барьерной емкости диода. На частотах до нескольких десятков МГц индуктивность выводов и емкость корпуса диода не учитываются из-за их малых значений. Анализ эквивалентной схемы варикапа в частотном диапазоне показывает на изменение

сопротивления потерь, которые определяют добротность варикапа

тирующим действием обратного сопротивления p–n перехода можно пренеб-

53

речь. Эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное сопротивление барьерной емкости и rб, тогда

Qв В = ωC1 r .

бар б

Для уменьшения rб необходимо уменьшать толщину области базы.

На низких частотах ωCбарRб <<1, и эквивалентная схема варикапа представляет собой параллельное соединение Rобр и Cбар, тогда

Qв Н = ωCбарRобр .

Сростом частоты добротность падает. Зависимость добротности варикапа от частоты

повышением температуры, так как при этом возрастает rб. С увеличением обратного напряжения емкость Cбар и сопротивление rб уменьшаются, ибо уменьшается толщина базы, а добротность варикапа при этом растет.

ПАРАМЕТРЫ ВАРИКАПОВ

1.Максимальная емкость Cв макс – емкость варикапа при заданном минимальном Uобр и ограничена значением емкости C0 .

2.Минимальная емкость Cв мин – емкость варикапа при заданном макси-

мальном Uобр и ограничивается обратным допустимым напряжением p–n перехода Uобр доп.

3. Коэффициент перекрытия по емкости K = Cв макс (единицы – десятки

Cв мин

единиц).

4.Сопротивление потерь Rп – суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

5.Температурный коэффициент емкости ТКЕ – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

54

ТКЕ = ∆CC ∆1T .

6.Номинальная емкость Cв ном – представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальном (оптимальном) Uобр .

7.Добротность варикапа Qв – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь

при заданном значении емкости или обратного напряжения Qв = Xc . Доброт-

Rп

ность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе (десятки – сотни единиц).

2.15. Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах и должны обладать малой емкостью перехода и малым временем жизни неравновесных носителей заряда в базе. Импульсные диоды чаще всего работают при больших амплитудах импульсов. На рис. 2.17 приведена простейшая схема диодного ключа,

работающего на активную нагрузку.

Сопротивление нагрузки обычно значительно больше прямого сопротивления диода и принято считать, что схема питается от генератора тока. При таком генераторе ток не зависит от сопротивления внешней по отношению к нему цепи, т.е. от сопротивления диода и нагрузки. В момент включения импульса прямого тока сопротивление базы диода определяется равновесной концентрацией носителей заряда, и на

(рис. 2.18).

По мере увеличения инжектированных носителей в базе, сопротивление базы уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на диоде до установившегося значения

Uпр.

55

Промежуток времени с момента подачи входного импульса до момента, когда напряжение на диоде уменьшится до 1,2 Uпр, называется временем уста-

новления прямого сопротивления диода τуст. При выключении прямого тока

падение напряжения на сопротивлении базы становится равным нулю, и напряжение на диоде скачком уменьшается до значения Uпр, называемым после-

инжекционным. Инжектированные носители рекомбинируют и напряжение на диоде уменьшается.

На рис. 2.19 показано воздействие на диод скачка напряжения, получаемого при его переключении с прямого направления на обратное. В момент скачка появляется относительно большой обратный ток Iобр ,

создаваемый неосновными носителями в базе, накопленными вблизи p–n перехода при действии прямого напряжения. Сопротивление p–n перехода мало, и обратный ток ограничивается только постоянными сопротивлениями базы диода и нагрузки. Поэтому обратный ток остается некоторое время практически постоянным. Когда избыточный заряд становится равным нулю, градиент концентрации неосновных носителей в базе начинает уменьшатся, и обратный ток спадает до своего значения, характерного для статического режима работы. Интервал времени от момента переключения напряжения с прямого на

обратное направление до моменты достижения обратным током заданного значения называется временем восстановления обратного сопротивления и обозначается tвос .

ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ

1. Максимальное импульсное прямое падение напряжения Uпр макс –

максимальное падение напряжения на диоде в прямом направлении при заданном прямом токе.

2. Время установления прямого сопротивления tуст – время от момента

включения прямого тока диода до момента достижения заданного уровня прямого напряжения на диоде.

56

3. Время восстановления обратного сопротивления tвос – время с момен-

та переключения диода с прямого на обратное импульсное напряжение до достижения обратным током заданного значения.

4. Емкость диода Cд – емкость между выводами диода при заданном об-

ратном напряжении.

5. Постоянный обратный ток Iобр – ток диода при заданном обратном

напряжении.

6. Постоянное прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде

при заданном прямом токе.

7. Заряд переключения Q – избыточный заряд, вытекающий во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратный.

Время установления прямого сопротивления и время восстановления обратного сопротивления определяют быстродействие диода. В связи с этим для повышения быстродействия необходимо уменьшать tуст и tвос . Это удается

достичь в диодах с накоплением заряда и диодах с барьером Шотки.

2.15.1. Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) используются для формирования коротких прямоугольных импульсов, возникающих при переключении диода с прямого направления на обратное в результате рассасывания накопленного в базе неравновесного заряда. Это достигается за счет неравномерного легирования области диода (рис. 2.20). Из-за неравномерного распределения примеси в базе диода возникает тормозящее электрическое поле для инжектированных носителей, направленное в сторону перехода. Инжектированные в базу носители прижимаются внутренним полем к p–

n переходу, и в базе происходит накопление заряда. При изменении напряжения на диоде с прямого на обратное сопротивление диода остается малым, и накопленные носители экстрагируют в эмиттер. Обратный ток быстро спадает. Внутреннее поле базы ускоряет процесс экстракции носителей через переход, что сокращает время спада обратного тока.

Для повышения быстродействия импульсных диодов широко используются переходы, выполненные на основе контакта металл–полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n–типа. Электроны из полупроводника n–типа переходят в металл, образуя на их границе отрицательный

57

заряд в металле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов, и в области перехода формируется обедненная область. При подаче на металлический контакт положительного напряжения, приток избыточных электронов восстанавливается, и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл–полупроводник, ток через диод не протекает. Такие диоды называют диодами Шотки или поверхностно-барьерными диодами (ибо электрическое поле образует барьер на поверхности перехода), или диодами горячих носителей (электроны, инжектируемые из металла в полупроводник, имеют высокий энергетический потенциал).

Диоды Шотки обладают следующими преимуществами по сравнению с кремниевыми p–n переходами:

1. Для получения того же тока требуется более низкое прямое напряже-

ние.

2.Электропроводность создается только основными носителями (электронами). Отсутствует накопление неосновных носителей, и время восстановления диода при переключении напряжения с прямого на обратное очень мало. Быстродействие определяется скоростью перезарядки барьерной емкости.

За счет низкого прямого напряжения и высокого быстродействия диоды Шотки используются в выпрямительных и переключающих цепях, а также для увеличения быстродействия транзисторов в цифровых схемах, таких как ТТЛ– логика.

Кнедостаткам диодов Шотки относятся:

1.Ток утечки немного больше, чем у обычных диодов, использующих p– n переход.

2.Максимальное обратное напряжение ниже, чем у обычных кремниевых диодов.

Вольт–амперная характеристика диодов Шотки такая же, как и у обычных диодов, а обратные токи составляют сотни пА – десятки нА.

2.16. Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольт–амперной характеристики области с отрицательным дифференциальным сопротивлением (характеристика N-образного типа). Они используются для усиления, генерирования и переключения сигналов, и эта многофункциональность прибора объясняется наличием на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением.

58

Для изготовления туннельных диодов используется полупроводниковый материал с очень большой концентрацией примесей (1018 K1020см−3) и следствием этого является:

1.Малая толщина перехода (около 0,01 мкм), что на два порядка меньше, чем у обычных диодов.

2.Расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n– области и к валентной зоне в p–области.

3.Уровень Ферми располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне.

Для простоты рассуждений обычно считают, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а расположенные выше него – свободны. На рис. 2.21 представлены вольт–амперная характеристика, энергетические диаграммы и условное обозначение туннельного диода.

В тонких p–n переходах вследствие большей напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. В диоде при отсутствии внешнего напряжения происходит туннелирование электронов из n–области в p–область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 2.21,а).

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n–области, начинает располагаться напротив свободных уровней p– области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n–области в p– область и протеканию прямого туннельного тока (рис. 2.21,б).

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n–области располагаются напротив свободных уровней p–области

(рис. 2.21,в).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n–области начинает располагаться против запрещенной зоны p–области, и туннельный ток убывает (рис. 2.21,г).

Когда зона проводимости n–области и валентная зона p–области перестанут перекрываться, туннельный ток прекращается (рис. 2.21,д).

Наряду с туннельным переходом электронов в p–n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии (рис. 2.21,ж).

59

При обратном напряжении энергетические уровни p–области смещаются вверх, и верхние уровни валентной зоны оказываются расположенными напротив разрешенных незаполненных уровней зоны проводимости n–области (рис. 2.21,е). При этом электроны из валентной зоны p–области туннелируют в зону проводимости n–области. Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению.

60

Туннельный диод может быть представлен эквивалентной схемой (рис. 2.22), где Cд–

ПАРАМЕТРЫ ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

1. Пиковый ток Iп – максимальный туннельный ток, соответствующий

полному перекрытию заполненных и свободных разрешенных уровней (сотни мкА – сотни мА).

2. Напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее макси-

мальному (пиковому) току (40…150 мВ), для германиевых диодов – (40…60 мВ), для арсенидгаллиевых – (100…150 мВ).

3. Ток впадины Iв – прямой ток в точке минимума ВАХ.

4. Напряжение впадины Uв – прямое напряжение, соответствующее току впадины (Ge 250…350 мВ, GaAs – 400…500 мВ).

5. Отношение токов Iп – отношение пикового тока к току впадины (Ge –

Iв

ских уровней сигнала при работе схемы в режиме переключения.

6. Напряжение скачка (раствора) Uск(Uрр) – это перепад напряжения

между максимальным туннельным током и таким же значением диффузионного тока.

7. Отрицательное дифференциальное сопротивление Rдиф = dUdI опреде-

ляется на середине падающего участка ВАХ.

ковому току.

9. Интервал рабочих температур (Ge до +200 °C; Si до +400 °С; GaAs до

+600 °С).