3. Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, т.Е. В устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, ключевых и цифровых схемах.

Важнейшим параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Оно характеризует переходный процесс переключения диода из состояния с заданным прямым током I_пр в состояние с заданным обратным напряжением U_обр. На рис.3.11. (стр104)показаны временные диаграммы напряжения и тока через диод.

Рис.3.11.

Время восстановления t_вос отсчитывается момента t₁ изменения напряжения на диоде с прямого на обратное до момента t₂, когда обратное напряжение достигнет значения 0,1_пр. Время восстановления в диоде с p-n переходом определяется временем рассасывания заряда, накопленного в базе до переключения (до момента t₁), а также процессом перезаряда барьерной емкости. В импульсных диодах время восстановления должно быть как можно меньше; необходимо снижать время жизни неосновных носителей в базе, для чего кремниевые диоды с p-n переходом легируются золотом. Однако при большой концентрации атомов золота возрастает генерации (обратный ток), а, кроме того, увеличивается сопротивление базы, так как золото является в кремнии также и акцептором и уменьшает эффективную концентрацию доноров в базе Поэтому для кремниевых диодов не удается получить время восстановления порядка менее 1нс. В арсениде галлия время жизни гораздо меньше, чем в кремнии, и в диодах с p-n переходом удается получить t_вос порядка 0,1 нс. Снижение барьерной емкости достигается уменьшением площади перехода. Наименьшее время восстановления (t_вос<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C_бr_б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Для всех импульсных диодов указывается емкость при определенном обратном напряжении и частоте переменного сигнала, используемого при измерении. Минимальные значения емкости составляют 0,1…1 пФ.

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся максимальный импульсный обратный ток I_{обр.и.макс} и максимальное импульсное сопротивление r_{пр.и.макс}, равное отношению максимального прямого напряжения в процессе его установления к к прямому току. Значения этих величин желательно иметь как можно меньше.

Для импульсных диодов важны также и статические параметры, определяющие установившиеся значения тока и напряжений в схемах. К ним относятся прямое напряжение при заданном прямом токе и обратный ток при определенном обратном напряжении.

4. Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжений в схемах. стабилитроны используются в источниках питания, ограничителях, фиксаторах уровня, источниках опорного напряжения и других устройствах. Принцип действия стабилитронов основан на использовании лавинного или туннельного пробоя в p-n переходе.

На рис.3.12 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

Рис.3.12.

На участке пробоя – рабочем участке ВАХ напряжение очень слабо зависит от тока. Минимальное значение рабочего тока I_ст.мин соответствует началу «вертикального» участка ВАХ, где достигается малое дифференциальное сопротивление r_диф=ΔU/ΔI. Максимальный ток I_ст.мах определяется допустимой рассеиваемой мощностью. Основной параметр – напряжение стабилизации U_ст, практически равное напряжению пробоя, задается при определенном значении тока I_ст на рабочем участке.

Схема включения стабилитрона приведена на рис.3.13.

Рис.3.13.

Здесь R_огр – ограничивающий резистор; R_н – резистор нагрузки, напряжение на котором U_н= U_ст. Ток, протекающий через ограничивающий резистор, равен I=(E-U_ст)/R_огр, а ток через стабилитрон I_ст=I-I_н, где I_н= U_ст/R_н, что соответствует рабочей точки с на рис.3.11. Если напряжение источника питания отклоняется на величину от номинального значения, ток через стабилитрон изменяется на Δ I_ст= ΔE)/R_огр при r_диф<<( R_огр ││ R_н ) и рабочая точка перемещается в пределах участка C^’C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(3.32)

Если изменяется ток нагрузки и. следовательно, нагрузки на величину Δ I_н, то примерно так же изменится ток через стабилитрон и Δ U=- r_дифΔI_н. Знак «-» означает, что увеличении тока нагрузки ток стабилитрона уменьшается. Для получения хорошей стабилизации дифференциальное сопротивление должно быть как можно меньше.

Напряжение пробоя p-n перехода уменьшается с ростом концентрации примесей базы. Для приборов различных типов U_ст может составлять от 3 до 200В.

Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения U_ст при изменении температуры на один градус, т.е.

(3.33)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжение до 7В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т.е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах p-n переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то p-n переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Температурный коэффициент стабилизации высоковольтных стабилитронов может быть уменьшен на 1…2 порядка, с помощью термостабилизации. Для этого обратно включенному p-n переходу стабилитрона соединяют последовательно с одним или двумя p-n переходами, включенными в прямом направлении. Известно, что прямое напряжение на p-n переходе уменьшается при повышении температуры, что компенсирует увеличение напряжения пробоя. Такие термокомпенсированные стабилитроны называются прецизионными. Они применяются в качестве источников опорного напряжения.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_н постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рассчитывают для средней точки с характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до E_max, то можно R_огр найти по следующей формуле

(3.34)

где Е_ср=0,5(Е_min + Е_max) – среднее напряжение источника;

I_ср=0,5(I_min+ I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н = U_ст/R_н – ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона и напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное E_max- E_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т.е. I_max- I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

(3.35)

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когде E=const, а R_н изменяется в пределах от R_нmin до R_нmax. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

(3.36)

I_{н ср}=0,5(I_{н min}+ I_{н max}) , причем I_нmin = U_ст/R_нmax и I_нmax = U_ст/R_нmin.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи.

5. Варикапы. Варикапами называют диоды, принцип действия которых основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Таким образом. Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Они применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Простейшая схема включения варикапа для настройки частоты колебательного контура представлена на рис.3.14.

Рис.3.14.

Управляющее напряжение U подается на варикап VD через высокоомный резистор R, который уменьшает шунтирование варикапа и колебательного контура источником напряжения. Для устранения постоянного тока через элемент индуктивности колебательный контур подключается параллельно варикапу через разделительный конденсатор С_р большой емкости. Изменяя величину обратного напряжения и, следовательно, емкость варикапа и суммарную емкость колебательного контура, изменяют резонансную частоту последнего.

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапа служит кремний, используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

К электрическим параметрам варикапа относятся емкость при номинальном, максимальном и минимальном напряжениях, измеренная на заданной частоте, коэффициент перекрытия по емкости, добротность, частотный диапазон, температурные коэффициенты емкости и добротности. В разных типах варикапов номинальная емкость может лежать в пределах от несколько единиц до несколько сотен пикофарад.