Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Стабилитроны и стабисторы



Стабилитрон – это кремниевый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Стабилитрон работает при обратном смещении в области электрического пробоя p-n-перехода. На рабочем участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока через диод.

На рис.3.5 показана схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне: E – нестабилизированный источник питания, R0 – ограничительное сопротивление, Rн – нагрузка, подключенная параллельно к стабилитрону. Ограничительное сопротивление служит для установления и поддержания правильного режима стабилизации. Обычно R0 рассчитывают для средней точки ВАХ стабилитрона.Схема обеспечивает стабилизацию напряжения за счёт перераспределения токов Iст и Iн.

На рис.3.6 приведена ВАХ стабилитрона и показан рабочий участок.

E = (Iст + Iн)R0+Uст

Изменение напряжения питания на DE, приводит к появлению приращения напряжению на нагрузке на DUст и токов DIст =DUст/rст , DIн=DUст/ Rн, где rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке. Запишем исходное уравнение относительно приращений:

DE = (DUст/rст + DUст/Rн) R0+DUст = DUст(1/rст + 1/Rн) R0+DUст.

Разрешим его относительно DUст, получим

DUст = DE /[1+ R0/rст + R0/Rн.] » (rст/ R0)DE.

Поскольку R0/rст велико, то DUст мало. Чем больше Rогр и меньше rст тем меньше изменения выходного напряжения.

Стабилитрон характеризуется следующими параметрами:

Номинальное напряжение стабилизации Uст ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

номинальный ток стабилизации Iст ном – ток через стабилитрон при номинальном напряжении стабилизации;

минимальный ток стабилизации Imin — наименьшее значение тока стабилизации, при котором обеспечивается режим стабилизации;

максимально допустимый ток стабилизации Imaxнаибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы, при превышении которых может возникнуть тепловой пробой (показан пунктирной линией на рис.3.4);

дифференциальное сопротивление rст= DUст/DIст;

ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации:

,

В стабилитронах используются оба вида электрического пробоя. При туннельном пробое Uст.ном.<5В, ТКН – отрицательный, при лавинном пробое Uст.ном.>8В, ТКН – положительный, в промежуточной области 5В<Uст.ном<8В пробой имеет смешанный характер и ТКН проходит через нуль. По модулю ТКН<0,1%/К

Разновидности стабилитронов:

Прецизионные (а). Они имею малое значение ТКН и нормированную величину Uст.ном. Малое ТКН достигается путем включения последовательно со стабилитроном (VD2), имеющим положительный ТКН диоды (VD1) в прямом направлении, ТКН которого отрицателен. Поскольку общий ТКН равен их сумме, то он оказывается малым по величине.

Двуханодный стабилитрон (в). Он состоит из двухстабилитроноввключенных встречно-последовательно (б) и применяется для стабилизации переменных напряжений.

Стабисторы – это полупроводниковые диоды в которых для стабилизации напряжения используется прямя ветвь ВАХ. Для улучшения их база сильно легирована примесями. Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона. Они применяются для стабилизации малых напряжений (0,7В), ток стабисторов – от 1мА до нескольких десятков мА и отрицательный ТКН.

Варикапы

Варикап это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве конденсатора, управляемого напряжением.

Варикапы работают при обратном смещении p-n-перехода, и используется барьерная емкость. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону

,

где С(U)емкость диода; С0 — емкость диода при U=0; φк — контактная разность потенциалов; n— коэффициент, зависящий от типа варикапа (n=1/2¸1/З); U – обратное напряжения на варикапе.

Условное обозначение варикапа и график зависимости С(U) приведены на рис.3.7.

Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.

Эквивалентная схема варикапа (рис.3.8) содержит барьерную емкость, сопротивление обратно смещенного p-n-перехода r= (которое очень велико) и последовательное сопротивление rs, которое включает сопротивления базы и контактов и должно быть как можно меньше. В идеальном случае rs=0, r==¥ варикап являлся бы идеальным конденсатором. Степень приближения к идеалу определяется добротностью – отношением реактивной мощности к активной мощности потерь:

Q=Pреак/Pакт=Xc/rпот

где Xc – реактивное сопротивление варикапа, rпот – сопротивление активных потерь. Добротность зависит от частоты сигнала:

(3.1)

Добротность достигает максимального значения на частоте ω=ωопт= (рис.3.9).

К основным параметрам варикапа относят:

1. Общая емкость варикапа С – емкость, измеренная при определенномобратномнапряжении (измеряется при U=5В и составляет десятки – сотни пФ).

2. коэффициент перекрытия по емкости Кпер =Сmaxmin— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (Кпер=5¸8);

3. добротность варикапа Q;

4. Обратный ток варикапа Iобр – постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение Umах и максимально допустимую рассеиваемую мощность Рmах.

 
 

Варикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на рис.3.10 а; Lк и Cк – индуктивность и емкость контура, R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения смещения варикапа, Ср и Rр – разделительные конденсатор и резистор, препятствующие проникновению высокочастотного напряжения в цепь смещения и постоянного тока в колебательный контур. C(U) – ёмкость варикапа. Емкость Срвыбирается достаточно большой величины Ср>>Cк, так что для переменной составляющей является коротким замыканием и емкость C(U) включена параллельно Cк.Резонансная частота управляется напряжением:

Недостатком такой схемы является то, что емкость варикапа зависит не только от управляющего напряжения U, но и зависит от амплитуды высокочастотного напряжением на контуре. Этот недостаток устраняется в схеме рис. 3.5б. Здесь два варикапа включены встречно-последовательно. При этом высокочастотное напряжение контура приложено к ним вразной полярности и на общую емкость не влияет.

 

Туннельные и обращенные диоды.

Принцип действия туннельных и обращенных диодов основан на туннельном эффекте – прохождении электронов сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии. В туннельном диоде применяются сильно легированные (вырожденные) полупроводники с концентрацией примесей 1019-1020 см-3, p-n-ширина перехода при этом составляет около 0,01 мкм. При такой концентрации уровень Ферми оказывается в разрешенной зоне: в p-области в валентной зоне и в n-области – в зоне проводимости, и туннельный эффект проявляется не только при обратном смещении, как при туннельном пробое, но и при прямом.

На рис.3.11 приведено условное изображение и ВАХ туннельного диода (ТД), пунктиром на графике показана также ВАХ обычного диода. Туннельный ток растет при прямом смещении, достигая максимума в точке B, затем уменьшается до нуля в точке C. Дальнейшее увеличение тока обусловлено диффузионным током – прохождением носителей над барьером.

На падающем участке ВАХ (участок АС) ТД имеет отрицательное дифференциальное сопротивление Rдиф=DU/DI|АС=r-<0, т.е. обладает усилительными свойствами. Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсныхустройствах. Качество диода определяют протяженность и крутизна «падающего» участка ВАХ.

 
 

Туннельный эффект возможен лишь в случае, когда по другую сторону барьера есть незаполненные разрешенные уровни с той же энергией. На рис.3.12 приведены энергетические диаграммы, объясняющие вид ВАХ туннельного диода.

Вероятность заполнения уровня Ферми равна ½, и в первом приближении можно считать, что все уровни, расположенные выше уровня Ферми, не заполнены, а уровни, лежащие ниже, заполнены полностью (на рис.3.12 они заштрихованы). В равновесном состоянии уровень Ферми WF одинаков во всех областях (т. 0 на рис.3.12), туннелирование электронов равновероятно в ту и другую сторону. При прямом смещении p-n-перехода увеличивается степень перекрытия заполненных и незаполненных уровней по разные стороны барьера, электроны проникают из заполненных уровней зоны проводимости n-области на незаполненные уровни валентной зоны p-области, туннельный ток растет, достигая максимума в точке B, где перекрытие максимально. При дальнейшем увеличении смещения степень перекрытия и туннельный ток уменьшаются и в точке С обращаются в нуль – по другую сторону барьера для заполненных уровней оказывается запрещенная зона. При U>Uвпток растет вследствие прохождения носителей над барьером (т. D) – инжекции носителей. При обратном смещении p-n-перехода электроны туннелируют из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области (т. A).

Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис.3.13), сам процесс туннелирования занимает очень короткий промежуток времени – 10-13–10-14 с. На этом участке практически нет еще инжекции и емкость диода является барьерной емкостью p-n-перехода. Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты

, (3.2)

которая называется предельной резистивной частотой.

ТД имеет также резонансную частоту f0

(3.3)

При этом должно обеспечиваться условие f0> fR.

Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток Iп — прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины Iвп — прямой ток в точке минимума его характеристики; отношение токов Iп/Iвп; напряжение пика Uп — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины Uвп— прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора Upпрямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность Lsполная последовательная индуктивность диода при заданных условиях; удельная емкость Сд/Iп — отношение емкости туннельного диода к пиковому току; дифференциальное сопротивление r- на падающем участке ВАХ; резонансная частота туннельного диода fо; предельная резистивная частота fR; Кшкоэффициент шума диода; сопротивление потерь туннельного диода rsсуммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный прямой ток туннельного диода Iпр max, максимально допустимый прямой импульсный ток Iпр.и max максимально допустимый постоянный обратный ток Iобр.mах, максимально допустимую мощность СВЧ Рсвч mах, рассеиваемую диодом.

Схема генератора гармоническихколебаний на ТД приведена на рис.3.14. Назначение элементов: R1, R2 – резисторы, задают рабочую точку туннельного диода на середине участка ВАХ с отрицательным сопротивлением; Lk, – колебательный контур; Сбл – ёмкость блокировочная, по переменной составляющей она подключает туннельный диод параллельно к колебательному контуру.

Туннельный диод, включённый параллельно колебательному контуру компенсирует своим отрицательным сопротивлением компенсирует сопротивление потерь колебательного контура, поэтому колебания в нем не затухают.

Обращенные диоды являются разновидностью туннельных. В них концентрация примесей несколько меньше, чем в туннельных (1018-1019 см-3). В идеальном случае уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны в p-области и с дном зоны проводимости в n-области. За счет этого у них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением. На прямой ветви имеется практически горизонтальный участок (рис.3.15) до напряжений 0,3-0,4В. В этих диодах, для малых переменных сигналов, прямую ветвь можно считать непроводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и название этих диодов. Обращенные диоды используются для выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100-300)мВ.

 

3.10 Маркировка полупроводниковых диодов.

Маркировка состоит из шести элементов, например:

К Д 2 1 7 А или К С 1 9 1 Е

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

1 – Буква или цифра, указывает вид материала, из которого изготовлен диод:

1 или Г – Ge (германий); 2 или К – Si (кремний); 3 или А – GeAs.

2 – буква, указывает тип диода по его функциональному назначению:

Д – диод; С – стабилитрон, стабистор; В – варикап; И – туннельный диод; А – СВЧ диоды.

3. Назначение и электрические свойства.

4 и 5 – цифры, указывают порядковый номер разработки или электрические свойства (в стабилитронах – это напряжение стабилизации; в диодах – порядковый номер).

6 – Буква, указывает деление диодов по параметрическим группам (в выпрямительных диодах – деление по параметру Uобр.max, в стабилитронах деление по ТКН).

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.