При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.

Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.

Такая емкость p-n-перехода называется барьерной . Барьерная емкость C Б может быть рассчитана по формуле

S - площадь p-n-перехода; e ·e 0 - относительная (e) и абсолютная (e 0) диэлектрические проницаемости; D - ширина p-n-перехода.

Особенностью барьерной емкости является ее зависимость от внешнего приложенного напряжения. С учетом (2.2) барьерная емкость для резкого перехода рассчитывается по формуле:

,

где знак ” + “ соответствует обратному, а ”-“ прямому напряжению на переходе.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения называется вольтфарадной характеристикой (см. рис. 2.6). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением r pn .

Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы.

Диффузионная емкость может быть рассчитана следующим образом:

,

где t n - время жизни электронов в базе.

Величина диффузионной емкости пропорциональна току через p-n-переход. При прямом напряжении значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад. Суммарная емкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей. При обратном напряжении C Б > C ДИФ; при прямом напряжении преобладает диффузионная емкость C ДИФ >> C Б.

Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рис. 2.7. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода r pn включены две емкости C Б и C ДИФ; последовательно с r pn включено объемное сопротивление базы r¢ Б. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, r pn шунтируется емкостным сопротивлением и общее сопротивление p-n-перехода определяется объемным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои нелинейные свойства.

Типы диодов

Диоды классифицируются:

1. По частоте:

2. низкочастотные;

3. среднечастотные;

4. высокочастотные;

5. СВЧ – диоды.

6. По технологии изготовления:

7. точечные;

8. сплавные;

9. диффузионные.

10. По функциональному назначению:

11. выпрямительные;

12. универсальные;

13. светодиоды;

14. туннельные диоды.

Основными характеристиками выпрямительного диода являются следующие параметры: I пр,U пр, I пр max , U пр max , I обр, U обр max , r диф , где r диф – дифференциальное сопротивление диода: .

Для стабилитрона основными параметрами являются I с min , I с max , U с min , U с max , кроме того стабилитрона (определяется в рабочей точке), номинальные данные и напряжение пробоя U обр max . Также даётся ТКН (температурный коэффициент напряжения): или в % на °С : .

Импульсные диоды характеризуются рабочей частотой f и импульсной характеристикой: t вост (время, за которое диод восстанавливает свои свойства), ёмкостью p-n-перехода C pn и теми же характеристиками, что и выпрямительные диоды: I пр, I обр и т.д.

Система электропитания. Классификация и характеристики выпрямителей. Одно- и двухполупериодный выпрямитель с R нагрузкой.

Источники питания составляют основную часть электронного устройства. Примерно 50% от веса аппаратуры составляет блок питания из-за того, что в его состав как правило входит трансформатор, который имеет большие габариты и массу.

Блок питания состоит из: трансформатора, диодной схемы, сглаживающего фильтра и стабилизатора .

Система электропитания – совокупность первичных и вторичных источников питания.

Первичные источники питания – устройства, преобразующие неэлектрическую энергию в энергию электрическую (генераторы и т.п.)

Вторичные источники питания – устройства, преобразующие один вид электрической энергии в другой (например переменный ток в постоянный (выпрямители ), постоянный ток в переменный (инверторы )).

Трансформатор предназначен для согласования диодной схемы с питающей сетью. Отношение количества витков вторичной и первичной обмоток называется коэффициентом трансформации . Второе назначение трансформатора – изоляция диодной схемы от сети в том случае, если нагрузка заземлена.

Диодная схема предназначена для выпрямления напряжения на входе и получения на выходе некоторой постоянной составляющей.

U d – постоянная составляющая напряжения;

I d – постоянная составляющая тока.

В зависимости от вида диодной схемы качество напряжения на выходе диодной схемы различны. Это качество оценивает коэффициент пульсаций:

.

Коэффициент пульсаций может быть как больше 1 (для двухполупериодных выпрямителей), так и меньше 1 (для однополупериодных).

В качестве сглаживающих фильтров используют пассивные RC и LC фильтры (чаще используют фильтры LC). Одно звено LC фильтра уменьшает коэффициент пульсаций не более чем в 25 раз. Для более сильного уменьшения K п применяют 2-х или 3-х звенные фильтры. (при количестве звеньев больше 3 возможно самовозбуждение).

Стабилизатор предназначен для дальнейшего уменьшения пульсаций (уменьшает K п в 1000 и более раз). Как правило его основа – интегральные микросхемы (ОУ или специальные микросхемы).

Совокупность трансформатора, диодной схемы и сглаживающего фильтра называется выпрямителем . Основными характеристиками выпрямителя являются:

1) средневыпрямленный ток на нагрузке I 0 ;

2) средневыпрямленное напряжение на нагрузке U 0 ;

3) коэффициент пульсаций на нагрузке K п0 ;

4) внешняя характеристика выпрямителя U 0 =U 0 (I 0) .

Однополупериодная схема выпрямителя.

Процессы, происходящие в схеме, покажем на осциллограммах:

В положительный полупериод напряжения U 2 диод VD открывается и через нагрузку протекает ток i 2 равный i d . При этом на нагрузке напряжение имеет синусоидальный характер с амплитудой U 2 m (падением напряжения на диоде пренебрегаем).

В отрицательный полупериод напряжения U 2 диод VD заперт и к нему приложено обратное напряжение U обр max =U 2 m . Таким образом напряжение и ток на нагрузке имеют импульсный характер (от 0 до p – синусоидальный характер и от p до 2p напряжение и ток равны нулю).

Определим характеристики выпрямителя:

1. Действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора:

обозначим wt=u , тогда или .

Отсюда сразу виден недостаток однополупериодной схемы выпрямления: средневыпрямленное напряжение обмотки более чем в 2 раза меньше U 2 .

, где I 2 m – амплитуда тока вторичной обмотки трансформатора.
Зная соотношение между U d и U 2 можно записать следующее выражение:
I 2 =1.57I d ,где I d – средневыпрямленный ток .
Эти выражения позволяют определить мощность вторичной обмотки трансформатора, а также получить требования к намоточному проводу вторичной обмотки (P 2 =U 2 I 2 ).

3. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:
между током первичной и вторичной обмотки зависимость линейна , где n – коэффициент трансформации. В свою очередь i 2 =I 2 -I d , тогда . Определим действующее значение тока i 1 (I 1) :
.
Далее можно определить мощность P 1 первичной обмотки трансформатора (P 1 =U 1 I 1 ). Зная мощность первичной и вторичной обмоток можно рассчитать типовую мощность трансформатора (S ):

4. Обратное напряжение на диоде

5. Частота первой гармоники напряжения на нагрузке (f н1 ): f н1 =f сети =50 Hz .
Отсюда следует второй недостаток однополупериодной схемы выпрямления. Он состоит в том, что при частоте 50 Hz при построении сглаживающего фильтра необходимы более громоздкие L и C.

6. Коэффициент пульсаций , где U 1 m определяется путём разложения в ряд Фурье кривой напряжения на нагрузке (для однополупериодной схемы выпрямления U 1 m >U d , что также является её недостатком).

Т.к. в токе вторичной обмотки присутствует постоянная составляющая, равная I d , то трансформатор испытывает вынужденное подмагничивание поэтому возможно искажение сигнала на выходе трансформатора за счёт его насыщения. Чтобы избежать этого, увеличивают размеры трансформатора.

В связи с перечисленными недостатками данная схема используется если не требуется высокого качества выходного сигнала.

Двухполупериодная схема со средней точкой.

Она содержит трансформатор со средним выводом и два диода. Состоит из двух однополупериодных выпрямителей.

W ’ 2 =W ’’ 2 ;

Из схемы сразу виден её недостаток: необходимость вывода средней точки трансформатора и одинаковое число витков вторичной обмотки.

Изобразим временные диаграммы:

Рассмотрим работу данной схемы.

В положительный полупериод открыт диод VD1 и через нагрузку протекает ток диода i д1 . Амплитуда напряжения нагрузки U н max =U 2 m . В отрицательный полупериод закрывается диод VD1 и открывается диод VD2 так как полуобмотки идентичны, то амплитуда напряжения на нагрузке также будет равна U 2 m . Напряжение на нагрузке имеет импульсный характер, причём частота основной гармоники в 2 раза больше частоты сети (f н1 =2f сети ). Ток, протекающий в каждой из полуобмоток отличен от нуля в течение одного полупериода. Относительно сердечника трансформатора магнитные потоки, создаваемые токами полуобмоток, имеют синусоидальный характер. Поэтому можно считать, что ток вторичной обмотки трансформатора (относительно сердечника) имеет синусоидальный характер.

Основные характеристики выпрямителя.

1. Средневыпрямленное напряжение на нагрузке U d :
т.к. данный выпрямитель является комбинацией из двух однополупериодных выпрямителей, то: .

2. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:
т.к. характер тока, протекающего через полуобмотку трансформатора (в сравнении с однополупериодным выпрямителем) не изменился, то соотношение будет таким же: .
Далее, проделав аналогичные выводы, что и для однополупериодного выпрямителя, получим:

К недостаткам схемы можно отнести усложнение схемы и конструкции трансформатора.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно, внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость , отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость , отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно - диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n + -p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

где N - концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(7.10)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Сопротивление R 0 в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R нл при прямом включении равно R пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R нл = R обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R 0 и R пр (рис.7.5б),

Рис.7.5б. Рис.7.5в.

а при обратном напряжении – только сопротивление R обр, так как R 0 << R обр (рис.7.5в).

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.7.5г, (если частота не очень высокая, то С диф практически не влияет),

Рис.7.5г. Рис.7.5д.

а при обратном остаются R обр и С б (рис.7.5д).

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700 0 С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р + -типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа). Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 0) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий. Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150 0 C, Ge – 70…80 0 C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

1.Выпрямительные низкочастотные диоды . Они используются в источниках питания для выпрямления переменного тока.

Основными электрическими параметрами диода являются величины U пр.ср при заданном I пр.ср, а также I обр.ср при заданном амплитудном (максимальном) значении обратного напряжения (U обр.макс) (U пр.ср и I обр.ср – средние значения прямого напряжения и обратного тока за период). Для кремниевых диодов с p-n переходом, имеющих наибольшее распространение, U пр.ср не превышает 1..1,5В при Т=20 0 С. С ростом температуры эта величина уменьшается, причем ТКН зависит значения прямого тока; с ростом тока уменьшается, а при большом токе может стать даже положительным. Обратный ток кремниевых диодов при Т=20 0 С, как правило, не превышает десятых долей мкА, и увеличивается с ростом температуры (температура удвоения около 10 0 С). При Т=20 0 С обратным током можно пренебречь. Напряжение пробоя кремниевых диодов составляет сотни вольт и увеличивается с ростом температуры.

Прямое напряжение кремниевых диодов с переходом металл-полупроводник примерно в два раза меньше, чем в диодах с p-n переходом. А обратный ток несколько больше и сильнее зависит от температуры, удваиваясь на каждые 6..8 0 С.

При выборе типа диода учитывают предельно допустимый выпрямленный ток, обратное напряжение и температуру. В зависимости от допустимого тока различают диоды малой (<300мА), средней (<1А) и большой (>10А) мощности. Предельное обратное напряжение ограничено пробоем перехода и лежит в пределах от 50 до 1500В. Для увеличения допустимого обратного напряжения диоды соединяют последовательно. Несколько последовательно соединенных диодов, изготовленных в едином технологическом цикле и заключенных в общий корпус, называют выпрямительным столбом. Максимальная рабочая температура кремниевых диодов достигает 125..50 0 С и ограничена ростом обратного тока.

Маломощные диоды с небольшой площадью p-n перехода (менее 1мм 2) создают методом вплавления, мощные – с большой площадью - методом диффузии. Силовые диоды с p-n переходом могут работать до частот обычно не более 1кГц, а диоды с переходом металл- полупроводник – до частот в сотни кГц.

Германиевые диоды имеют прямое напряжение примерно в 1,5..2 раза меньше, чем кремниевые (обычно не более0,5 В) из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Оно в основном определяется падением напряжения на сопротивлении базы, в этом случае ТК U пр >0. Обратный ток при Т=20 0 С на 2..3 порядка больше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры. Удваиваясь на каждые 8 0 С, в связи с этим максимальная рабочая температура значительно ниже (70…80 0 С).

Тепловой механизм пробоя ведет к тому, что германиевые диоды выходят из строя даже при кратковременных импульсных перегрузках. Это является существенным недостатком. Напряжение пробоя уменьшается с ростом температуры.

Из-за малой площади перехода предельно допустимые прямые токи высокочастотных диодов невелики (обычно менее 100мА), пробивные напряжения, как правило, не превышают 100В.

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.7.6 показаны временные диаграммы напряжения и тока через диод.

Время восстановления t вос отсчитывается момента t 1 изменения напряжения на диоде с прямого на обратное до момента t 2 , когда обратное напряжение достигнет значения 0,1 пр. Время восстановления в диоде с p-n переходом определяется временем рассасывания заряда, накопленных в базе до переключения (до момента t 1), 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. Но 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 б r 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.7.7 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

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.7.8.

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

(7.11)

Если изменяется ток нагрузки и. следовательно, нагрузки на величину Δ I н, то примерно так же изменится ток через стабилитрон и Δ U=- r диф ΔI 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.

(7.12)

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

(7.13)

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, но 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

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда E=const, а R н изменяется в пределах от R н min до R н max . Для такого режима R огр можно определить по средним значениям токов по формуле

(7.15)

I н ср =0,5(I н min + I н max) , причем I н min = U ст /R н max и I н max = U ст /R н min .

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.7.9.

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.

Диффузионная емкость – это виртуальная емкость, с помощью которой моделируют эффект конечного времени «рассасывания» неравновесного заряда неосновных носителей в высокоомной части p-n- перехода.

Если, как и ранее, рассматривать случай, когда область р является более высокоомной, т. е.

n n >> p n ,

то в области р электроны являются неосновными носителями и их равновесная концентрация мала. При подаче прямого смещения электроны – основные носители слоя n – в огромном количестве переходят в слой р , создавая там объемный заряд неравновесных неосновных носителей.

Если резко сменить приложенное напряжение на запирающее, то переход электронов из n -области прекратится, но электроны слоя n , оказавшиеся в р- слое (неравновесный объемный заряд), будут, как неосновные носители, возвращаться в слой n , пока объемный заряд неосновных носителей в р- области не уменьшится до равновесного. Физически это означает, что в течение некоторого времени после смены напряжения с прямого на обратное через p-n- переход будет протекать обратный ток, намного больший равновесного значения I S (рис. 3.12, а ).

Рис. 3.12. Проявление диффузионной емкости p-n- перехода:

а – при низкой скорости изменения сигнала;

б – при высокой скорости изменения сигнала

На рис. 3.12, б показано, как диффузионная емкость при высокой частоте изменения напряжения приводит к потере свойства односторонней проводимости p-n -перехода. Очевидно, что чем больше величина прямого тока, тем больше неравновесный заряд, тем больше времени необходимо для его рассасывания (разряда диффузионной емкости), тем больше инерционность p-n- перехода.

3.7. Пробой p-n -перехода

Увеличение обратного напряжения до некоторого критического значения вызывает явление лавинообразного нарастания обратного тока, которое, если не принять мер по его ограничению, вызовет разрушение p-n- перехода. Это явление называется пробоем. Физический механизм пробоя достаточно сложен, и его условно можно разделить на два типа: тепловой и электрический .

Тепловой пробой

Тепловой пробой можно упрощенно представить следующей схемой: при протекании обратного тока на p-n- переходе выделяется мощность Р=U 0 I 0 , что приводит к нагреву объема полупроводника. Возникает положительная тепловая связь, которая, если не обеспечить температурного равновесия (за счет эффективного отвода тепла), приведет к тепловому разрушению p-n- перехода. Предотвращение теплового пробоя является серьезной инженерной задачей и достигается за счет ограничения величины обратного напряжения и обеспечения хорошего отвода тепла от p-n -перехода (установка p-n -перехода на теплоотводящие пластины-радиаторы, активное вентилирование).

Наличие в р–n-переходе ионов примесей и подвижных носителей заряда, находящихся вблизи границы перехода, обуславливает его емкостные свойства.

Имеются две составляющие емкости р–n-перехода: барьерная (зарядная) Cбар и диффузионная Cдиф. Барьерная емкость обусловлена наличием в p-n-переходе ионов донорной и акцепторной примесей, p- и n- области образуют как бы 2 заряженные обкладки конденсатора, а сам обедненный слой служит диэлектриком. В общем случае зависимость зарядной емкости от приложенного к p-n-переходу обратного напряжения выражается формулой.

где C 0 – емкость р–n перехода при Uобр=0.

γ - коэффициент, зависящий от типа р–n перехода (для резких переходов γ = 1/2, а для плавных γ = 1/3). Из этого выражения видно, что с увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается. Т.е. при увеличении обратного напряжения толщина обедненного слоя p-n-перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются, и емкость его падает. Это свойство барьерной емкости позволяет использовать переход как емкость, управляемую величиной обратного напряжения.

Зависимость емкости от приложенного напряжения называется вольт-фарадной характеристикой. Где кривая 1-планый p-n-переход, 2- резкий.

Диффузионная емкость обусловлена изменением числа неравновесных носителей заряда в p-и n-областях (кривая 3).

Iпр - прямой ток, протекающий через переход, τ – время жизни инжектированных неравновесных носителей.

При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость, но и емкость, обуловленная накоплением неравновесного заряда в p- и n-областях перехода. Накопленные носители в р– и n–областях быстро рекомбинируют, следовательно диффузионная емкость уменьшается во времени. Скорость спада зависит от времени жизни τ неравновесных носителей заряда. Диффузионная емкость всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением р–n перехода и во многом определяет быстродействие полупроводниковых элементов.

Эквивалентная схема p-n-перехода – математическая модель, которая используется для анализа электронных схем, которые включают п/п диоды.

Параметры Lв – индуктивность выводов и Ск – емкость корпуса используются когда структура размещена в корпусе.

Эквивалентная схема для обратного включения перехода выглядит по-другому:

При больших прямых токах из эквивалентной схемы можно исключить Сб.

16. Классификация п/п диодов. Система обозначений. Условные графические обозначения п/п диодов.

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи.

П/п диоды классифицируются: по роду исходного материала, конструкторско-технологическим особенностям, назначению и т.д. По типу исходного материала диоды бывают: германиевые, кремниевые, селеновые, карбид-кремниевые, арсенид-галлиевые и др. По конструкторско-технологическим особенностям: точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шоттки, поликристаллические и др. По назначению делятся на: 1. Выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное. 2. Стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. 3. Варикапы, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных системах. 5. Туннельные и обращенные диоды, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний. 6. Сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний. 7. Светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию. 8. Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал. Система обозначений. Она стоит из буквенных и цифровых элементов. Первым элементом обозначения является буква или цифра, определяющая исходный материал диода: Г или 1 – германий или его соединения; К или 2 – кремний или его соединения; А или 3 – арсенид галлия и соединения галлия; Второй элемент – буква, указывающая назначение диода: Д – выпрямительные, импульсные; С – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные, обращенные; А – сверхвысокочастотные; Л – светодиоды; Ф – фотодиоды. Третий элемент – цифра, указывающая на энергетические особенности диода. Четвертый элемент – две цифры, указывающие номер разработки. Пятый элемент – буква, характеризующая специальные параметры диода. Условные графические изображения.

Выводы диода называются анод и катод. Анод – вывод электронного прибора, к которому прямой ток течет из внешней электрической цепи. Катод – вывод электронного прибора, от которого прямой ток течет во внешнюю электрическую цепь. Стрелка в обозначении диода указывает на n-область перехода.

"

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющий 2 вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2, а, б.

Буквами p и n обозначены слои с проводимостями соответственно p-типа и n-типа.

Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Слой полупроводника, имеющий большую концентрацию, называют эмиттером, а имеющий меньшую концентрацию - базой.

Далее рассмотрим основные элементы диода (p-n-переход и невыпрямляющий контакт металл-полупроводник), физические явления, лежащие в основе работы диода, а также важные понятия, использующиеся для описания диода.

Глубокое понимание физических явлений и владение указанными понятиями необходимо не только для того, чтобы правильно выбирать конкретные типы диодов и определять режимы работы соответствующих схем, выполняя традиционные расчеты по той или иной методике.

В связи с быстрым внедрением в практику инженерной работы современных систем схемотехнического моделирования эти явления и понятия приходится постоянно иметь в виду при выполнении математического моделирования.

Системы моделирования быстро совершенствуются, и математические модели элементов электронных схем все более оперативно учитывают самые «тонкие» физические явления. Это делает весьма желательным постоянное углубление знаний в описываемой области и необходимым понимание основных физических явлений, а также использование соответствующих основных понятий.

Приведенное ниже описание основных явлений и понятий, кроме прочего, должно подготовить читателя к систематическому изучению вопросов математического моделирования электронных схем.

Рассматриваемые ниже явления и понятия необходимо знать при изучении не только диода, но и других приборов.

Структура p-n-перехода.

Вначале рассмотрим изолированные друг от друга слои полупроводника (рис. 1.3).

Изобразим соответствующие зонные диаграммы (рис. 1.4).

В отечественной литературе по электронике уровни зонных диаграмм и разности этих уровней часто характеризуют потенциалами и разностями потенциалов, измеряя их в вольтах, например, указывают, что ширина запрещенной зоны ф 5 для кремния равна 1,11 В.

В то же время зарубежные системы схемотехнического моделирования реализуют тот подход, что указанные уровни и разности уровней характеризуются той или иной энергией и измеряются в электрон-вольтах (эВ), например, в ответ на запрос такой системы о ширине запрещенной зоны в случае кремниевого диода вводится величина 1,11 эВ.

В данной работе используется подход, принятый в отечественной литературе.

Теперь рассмотрим контактирующие слои полупроводника (рис. 1.5).

В контактирующих слоях полупроводника имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n (существует градиент концентрации дырок). Аналогичная причина обеспечивает диффузию электронов из слоя n в слой p.

Диффузия дырок из слоя p в слой n, во-первых, уменьшает их концентрацию в приграничной области слоя p и, во-вторых, уменьшает концентрацию свободных электронов в приграничной области слоя n вследствие рекомбинации. Подобные результаты имеет и диффузия электронов из слоя n в слой p. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление.

Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют нескомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью E , указанной на рис. 1.5. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n.

В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному, обусловленному градиентом концентрации. В несимметричном p-n-переходе более протяженным является заряд в слое с меньшей концентрацией примеси, т. е. в базе.

Изобразим зонную диаграмму для контактирующих слоев (рис. 1.6), учитывая, что уровень Ферми для них является единым.

Рассмотрение структуры p-n-перехода и изучение зонной диаграммы (рис. 1.6) показывают, что в области перехода возникает потенциальный барьер. Для кремния высота Аф потенциального барьера примерно равна 0,75 В.

Примем условие, что потенциал некоторой удаленной от перехода точки в слое p равен нулю. Построим график зависимости потенциала Ф от координаты x соответствующей точки (рис. 1.7). Как видно из рисунка, значение координаты x = 0 соответствует границе слоев полупроводника.

Важно отметить, что представленные выше зонные диаграммы и график для потенциала Ф (рис. 1.7) строго соответствуют подходу, используемому в литературе по физике полупроводников, согласно которому потенциал определяется для электрона, имеющего отрицательный заряд.

В электротехнике и электронике определяют как работу, совершаемую силами поля по переносу единичного положительного заряда.

Построим график зависимости потенциала Фэ, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты x (рис. 1.8).

Ниже индекс «э» в обозначении потенциала будем опускать и использовать только электротехнический подход (за исключением зонных диаграмм).

Прямое и обратное включение p-n-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода.

Подключим к p-n-переходу внешний источник так, как это показано на рис. 1.9. Это так называемое прямое включение p — n -перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину u (рис. 1.10), дрейфовый поток уменьшится, p — n -переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток.

Подключим к p-n-переходу источник так, как это показано на рис. 1.11. Это так называемое обратное включение p-n -перехода. Теперь потенциальный барьер увеличится на u (рис. 1.12). В рассматриваемом случае через p-n-переход будет очень мал. Это так называемый обратный , который обеспечивается термогенерацией электронов и дырок в областях, прилегающих к области p-n-перехода.

Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое в свою очередь самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

При увеличении обратного область пространственных зарядов (главным образом за счет базы) и величина заряда в каждом слое (p и n) полупроводника увеличиваются. Это увеличение происходит непропорционально: при большом по модулю обратном напряжении заряд увеличивается при увеличении модуля медленнее, чем при малом по модулю обратном напряжении.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.19), где используем обозначения:

Q - пространственный заряд в слое n полупроводника;

u - внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу.

Обозначим через f функцию, описывающую зависимость Q от u . В соответствии с изложенным

В практике математического моделирования (и при ручных расчетах) удобно и поэтому принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. На практике широко используют так называемую барьерную емкость С 6ар p-n-перехода, причем по определению С 6ар = | dQ / du | Изобразим графики для Q (рис. 1.20) и C бар (рис. 1.21).

Явление возникновения и изменения объемного заряда неравновесных носителей электричества. Диффузионная емкость.

Если внешнего источника смещает p-n-переход в прямом направлении (u> 0), то начинается инжекция (эмиссия) - поступление неосновных носителей электричества в рассматриваемый слой полупроводника. В случае несимметричного p-n-перехода (что обычно бывает на практике) основную роль играет инжекция из эмиттера в базу.

Далее предполагаем, что переход несимметричный и что эмиттером является слой p , а базой - слой n . Тогда инжекция - это поступление дырок в слой n . Следствием инжекции является возникновение в базе объемного заряда дырок.

Известно, что в полупроводниках имеет место явление диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла), которое состоит в том, что возникший объемный заряд практически мгновенно компенсируется зарядом подошедших свободных носителей другого знака. Это происходит за время порядка 10 -12 с или 10 -11 с.

В соответствии с этим поступивший в базу заряд дырок будет практически мгновенно нейтрализован таким же по модулю зарядом электронов.

Используем обозначения:

Q - объемный заряд неравновесных носителей в базе;

u - внешнее напряжение, приложенное к p — n -переходу;

f - функция, описывающая зависимость Q от u.

Дадим поясняющую иллюстрацию (рис. 1.22).

В соответствии с изложенным Q = f(u) На практике удобно и принято пользоваться не этим выражением, а другим, получаемым из этого в результате дифференцирования. При этом используют понятие диффузионной емкости C диф p-n-перехода, причем по определению C диф = dQ / du Емкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе.

C диф удобно и принято описывать не как функцию u , а как функцию тока i p-n-перехода.

Сам заряд Q прямо пропорционален току i (рис. 1.23, а). В свою очередь i экспоненциально зависит от u (соответствующее выражение приведено выше), поэтому производная di / du также прямо пропорциональна току (для экспоненциальной функции ее производная тем больше, чем больше значение функции). Отсюда следует, что емкость С диф прямо пропорциональна току i (рис.1.23,6):

Cдиф=i·τ/φт где φт - температурный потенциал (определен выше);

τ - среднее время пролета (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).

Среднее время пролета - это время, за которое инжектируемые носители электричества проходят базу, а время жизни - время от инжекции носителя электричества в базу до рекомбинации.

Общая емкость p-n-перехода.

Эта емкость С пер равна сумме рассмотренных емкостей, т. е. С пер = С бар + С диф.

При обратном смещении перехода (u < 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Невыпрямляющий контакт металл-полупроводник.

Для подключения внешних выводов в диодах используют так называемые невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник. Это такие контакты, сопротивление которых практически не зависит ни от полярности, ни от величины внешнего напряжения.

Получение невыпрямляющих контактов - не менее важная задача, чем получение p-n-переходов. Для кремниевых приборов в качестве металла контактов часто используют алюминий. Свойства контакта металл-полупроводник определяются разностью работ выхода электрона. Работа выхода электрона из твердого тела - это приращение энергии, которое должен получить электрон, находящийся на уровне Ферми, для выхода из этого тела.

Обозначим работу выхода для металла через A м, а для полупроводника - через A п. Разделив работы выхода на заряд электрона q, получим соответствующие потенциалы:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Введем в рассмотрение так называемую контактную разность потенциалов φ mn :φ mn =φ m -φ n

Для определенности обратимся к контакту металл-полупроводник n-типа. Для получения невыпрямляющего контакта необходимо выполнение условия φ mn < 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Как следует из диаграммы, энергетические уровни в полупроводнике, соответствующие зоне проводимости, заполнены меньше, чем в металле. Поэтому после соединения металла и полупроводника часть электронов перейдет из металла в полупроводник. Это приведет к увеличению концентрации электронов в полупроводнике типа n.

Таким образом, проводимость полупроводника в области контакта окажется повышенной и слой, обедненный свободными носителями, будет отсутствовать. Указанное явление оказывается причиной того, что контакт будет невыпрямляющим. Для получения невыпрямляющего контакта металл-полупроводник p-типа необходимо выполнение условия φмп> 0