Главная | Обратная связь

Полупроводниковые стабилитроны

Лекция 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Признак классификации Наименование диода

Площадь перехода Плоскостной

Точечный

Полупроводниковый материал Германиевый

Кремниевый

Из арсенида галлия

Назначение Выпрямительный

Импульсный

Сверхвысокочастотный

Стабилитрон (стабистор)

Варикап

Принцип действия Лавинно-пролетный

Туннельный

Диод Шотки

Излучающий

Диод Ганна

 

 

Выпрямляющие диоды

 

 

Выпрямительный диод использует вентильные свойства р-п-перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. Прежде всего это выпрямление переменного тока для питания различной аппаратуры постоянным током. Это обычно 50 Гц или 60 Гц – довольно низкая частота. Поэтому быстродействие от этих диодов не требуется, но требуется пропускание довольно большого тока, достигается за счёт большой поверхности р-п перехода. Это так называемые силовые диоды.

В качестве исходного материала при изготовлении выпрямительных диодов используют германий и кремний.

Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном — разомкнут. Однако в обоих случаях этот ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения Uпр ключ обладает небольшим дифференциальным сопротивлением. Поэтому за счет падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузочного устройства, несколько ниже входного напряжения (Uпр не превышает у германиевых диодов 0,5 В, а у кремниевых 1,5 В; часто за величину Uпр для кремниевых диодов принимается напряжение 0,7 В).

Выпрямительные диоды классифицируют также по мощности и частоте.

По мощности: маломощные Iпр ср max <0,3 A; средней мощности 0,3 A<Iпр ср max <10 A; большой мощности Iпр ср max>10 A.

По частоте: низкочастотные fmax <1000 Гц; высокочастотные fmax <1000 Гц

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем переходе металл-полупроводник (диоды Шотки). Их отличает меньшее, чем у диодов с р-п-переходом, напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Iпр ср max — максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода;

Uобр доп — допустимое наибольшее значение постоянного обратного напряжения диода;

fmax — максимально допустимая частота входного напряжения;

Uпр — значение прямого падения напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямление тока происходит по следующей схеме:

От источника электродвижущей силы ток проходит через диод и затем через сопротивление нагрузки. На сопротивлении нагрузки выделится напряжение, похожее на диаграмму тока, т.е. напряжение будет одного знака, но очень пульсирующим, что недопустимо. Можно, конечно, усложнить схему за счёт использования четырёх диодов, тогда не будет пропусков, но импульсность останется. Поэтому применяют фильтрацию сигнала, в простейшем случае применяют просто конденсатор:

Другая ситуация возникает при использовании диода для выпрямления радиосигнала. Здесь другие частоты – от сотен кГц до сотен МГц. Поэтому главное требование к диоду – это его высокочастотность. Поэтому диоды делают маленькой площади и даже точечными, чтобы уменьшить их паразитную ёмкость.

Импульсные диоды

Имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для работы в импульсных цепях . Они отличаются малыми ёмкостями p-n перехода (доли пФ), – за счет уменьшения площади перехода. Но из-за этого допустимые мощности невелики: 30-40 мВт.

Основные параметры :

· Ёмкость С_Д ;

· максимальное импульсное прямое напряжение U_пр.и.max

· максимальный импульсный ток I_пр.и.max

· время установления прямого напряжения на диоде t_уст

· время восстановления обратного сопротивления t_вос

 

 

Время восстановления - от момента изменения полярности U_пр на U_обр до момента, когда I_обр не достигнет 0,1 I_пр. За время t_вос должен быть “ликвидирован” накопленный в базе заряд Q_n неосновных носителей при инжекции. Это происходит за счет рекомбинации и обратного перехода носителей в эмиттер.

На участке t₁ ток I_обр »const и ограничен внешним сопротивлением. За это время концентрация неосновных носителей в базе на границе перехода станет равновесной = p_n, но в глубине базы ещё остаётся неравновесный заряд.

C момента t₁^l обратный ток уменьшается до своего статического значения. После полного рассасывания заряда Q_n прекратится изменение обратного тока.

 

Полупроводниковые стабилитроны

– “опорные диоды” - предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании электрического пробоя p-n перехода при включении в обратном направлении.

Механизм пробоя:

· туннельный - у низковольтных, с низкоомной базой ;

· лавинный - у высоковольтных, с высокоомной базой.

Электрический пробой не переходит в тепловой.

Основные параметры:

· напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения на стабилитроне при заданном токе стабилитрона;

· максимальный ток стабилитрона I_ст.max;

· минимальный ток стабилитрона I_ст.min;

· дифференциальное сопротивление на участке пробоя:

;

· температурный коэффициент напряжения стабилизации a_cm:

 

Применяются в схеме параметрического стабилизатора напряжения параллельного типа: приращение напряжения питания D U₁ падает на балластном резисторе R_б , а выходное U₂ остаётся неизменным.

 

Расчет коэффициента К_ст :

Если U₁ изменится на DU₁ , то U₂ изменится на DU₂.Токи изменятся на

DI₁= DI_ст+ DI_н

(DU₁ - DU₂ )/R_б= DU₂ / r_ст.диф + D U₂ /R_н .

DU₁ / D U₂ =R_б / r_ст.диф +R_б/R_н +1.

К_ст = U₂/U₁(R_б / r_ст.диф +R_б/R_н +1)

Пробойный режим не связан с инжекцией носителей и при переходе из области пробоя в область запирания и обратно нет инерционных явлений, связанных с накоплением или рассасыванием. Поэтому стабилитроны используют в импульсных схемах – фиксаторы уровня, ограничители.

 

Варикап

 

Варикап — полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости Cзар от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис.) — зависимость емкости варикапа CВ, состоящей из зарядной емкости и емкости корпуса прибора, от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости CВ может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Рис.. Вольт-фарадная характеристика варикапа

 

Основными параметрами варикапа являются:

CВ — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

KС — коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости CВ=f(Uобр)и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (KC=2...20).

Зависимость параметров варикапа от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости

 

где DCВ/CВ — относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры DT окружающей среды.

 

 

Маркировка полупроводниковых диодов предусматривает шесть символов. Первый символ — буква (для общего применения) или цифра (для специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г (1) — германий, К (2) — кремний, А (3) — GaAs. Второй символ — буква, обозначающая подкласс диода: Д — выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды; В — варикапы; С — стабилитроны и стабисторы; Л — светодиоды. Третий символ —цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов — мощность рассеяния): например, 3 — переключательный, 4 — универсальный и т. д. Четвертый и пятый символы — двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов — номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ — буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов — последовательность разработки). Примеры маркировки диодов: ГД412А — германиевый (Г), диод (Д), универсальный (4), номер разработки 12, группа А; КС196В — кремниевый (К), стабилитрон С, мощность рассеяния не более 0,3 Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9,6 В (96), третья разработка (В).

 

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.