Выпрямительный диод – ПП диод, предназначенный для преобразования переменного тока низкой частоты – в постоянный. Конструкция диодов приведена на рисунке1. 12

ЛЕКЦИЯ4. Выпрямительный, стабилитрон, варикап, туннельный.

Тема 1.2. Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые диоды находят широкое применение

в аппаратуре всех видов проводной и радиосвязи, проводного, радио и телевизионного вещания. Учебный материал данной лекции будет использован при изучении большинства специальных дисциплин радио и проводного цикла. Учебный материал лекции особенно широко используется в дисциплинах «Электропитание устройств связи»,

«Радиоприемные устройства», Радиопередающие устройства», «Радиорелейные линии связи»

Полупроводниковым (ПП) диодом называется полупроводниковый прибор с одним PN -переходом и двумя выводами. Основой ПП диода является PN -переход, а следовательно все параметры, свойственные PN -переходу и его ВАХ, являются параметрами и ВАХ ПП диода.

В настоящее время существует очень много различных типов ПП диодов в которых используются те или иные свойства PN - перехода.

а б в

Рисунок 1.12 – Конструкция выпрямительных диодов:

а – маломощный диод в металлическом корпусе, б – маломощный диод в пластмассовом корпусе, в – диод средней мощности

В этом диоде используется свойство односторонней проводимости PN- перехода, при котором ток прямой значительно больше обратного.

Выпрямительные диоды выполняются на основе Ge и Si. Кремниевые диоды более температуростабильные, а германиевые способны работать с большими токами.

ВАХ выпрямительного диода аналогична характеристике PN -перехода (рисунок 1.13).

а б

Рисунок 1.13 Вольт-амперные харакеристики: а - германиевого (Д7В) и б - кремниевого (Д208) диодов

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

Крутизна S = ∆I_пр /∆U_пр, показывает как изменяется прямой ток при изменении прямого напряжения;

Внутреннее сопротивление переменному току или дифференциальное сопротивление R_i = ∆U_пр / ∆I_пр;

Сопротивление постоянному току при прямом включении R₀ = U_п/I_пр.

Сопротивление диода при обратном включении R_обр=U_обр/I_обр.

R_i и R₀ определяются графически по ВАХ диода в рабочей точке.

Коэффициент выпрямления, показывает во сколько раз ток прямой больше тока обратного, измеренных при одинаковых прямом и обратном напряжениях, равных 1В: К_выпр = I_пр / I_обр = r_{диф обр} / r_{диф пр} при U_пр = U_обр = 1В.

Основными параметрами предельных режимов работы выпрямительных диодов являются максимально допустимая рассеиваемая мощность P_max, допустимое обратное напряжение U_{обр max} и максимальный прямой ток I_{пр max}.

Диоды бывают как и PN- переходы плоскостные и точечные. Плоскостные диоды, имеющие сравнительно большие геометрические размеры, допускают большие рабочие токи и большие рассеиваемые мощности. Точечные диоды, имеющие малые размеры, обладают малой емкостью РN -перехода, что позволяет применять их на очень высоких частотах.

На рисунке 1.14 приведены схема включения и диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямительного диода.

а б

Рисунок 1.14. а – Схема включения выпрямительного диода;

б – Диаграммы, поясняющие принцип работы

При поступлении на вход схемы положительной полуволны переменного напряжения U_вх через диод, а, следовательно, и через R_н протекает ток. На выходе мы имеем положительную полуволну тока. Когда поступает отрицательная полуволна, тока через диод нет. В нагрузке протекает выпрямленный ток. Чтобы получить ток, близкий к постоянному, используют двухполупериодные или мостовые схемы выпрямления и сглаживающие фильтры. Применяют выпрямительные диоды в блоках питания, в усилителях для температурной компенсации, в логических элементах, в электронных ключах.

Выводы. 1. Обратная ветвь вольт-ампертной характеристики реального диода отличается от идеального PN- перехода из-за наличия токов термогенерации и утечки. 2. С повышением температуры обратный ток у германиего диода резко увеличивается за счет роста теплового тока. 3. У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут работать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, что германиевые. 4. Кремниевые диоды могут работать при значительно больших обратных напряжениях, чем германиевые.

Полупроводниковым стабилитроном называется кремниевый диод, работающий в режиме электрического пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В нем используются свойства обратно включенного PN -перехода. Применение кремния при изготовлении стабилитронов объясняется слабой зависимостью от температуры обратного тока кремниевых диодов На обратной ветви ВАХ имеется явно выраженный участок электрического пробоя. ВАХ стабилитрона и схема его включения приведены на рисунке 1.12.

а б

Рисунок 1.15. а – Схема включения стабилитрона; б – ВАХ стабилитрона

Если U_вх увеличилось, то ток в цепи возрастет, увеличится напряжение на балластном сопротивлении, а напряжение на нагрузке почти не изменится. С помощью R₀ подбирается режим работы стабилитрона.

Основными параметрами стабилитрона являются:

Напряжение стабилизации U_ст – напряжение на стабилитроне, соответствующее среднему току стабилизации;

Дифференциальное сопротивление стабилитрона R_ст =∆U_ст /∆I_ст;

Температурный коэффициент напряжения α_ст = ∆U_ст / (U_ст × ∆TºK), %/ºK, показывает как изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры на один градус Кельвина.

Минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min} – наименьший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах;

Максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max} – наибольший ток стабилизации, при котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах, а температура перехода не выше допустимой;

Максимально допустимая мощность рассеяния Р_max – мощность, при которой возникает тепловой пробой PN -перехода.

Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ PN -перехода, называется стабистором. Стабисторы отличаются от стабилитронов меньшим напряжением стабилизации.

Применяют стабилитроны в стабилизаторах напряжения, в усилителях, а также в качестве опорного диода в компараторах.

Выводы. 1. Полупроводниковый стабилитрон представляет собой кремниевый диод, работающий при обратном напряжении, в режиме электрического пробоя. 2. Стабилитрон включает параллельно нагрузке, а в неразветвленную цепь включают балластное сопративление. 3. Схема должна быть рассчитана так, чтобы при номинальном входном напряжении и заданном токе в нагрузке ток через стабилитрон был равен среднему значению между максимально и минимально допустимыми токами стабилизации. 4. Необходимое напряжение стабилизации получают выбором соответствующей концентрации примеси в базе диода.

Туннельный диод – диод на основе вырожденного (с предельной концентрацией примеси) полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Устройство и конструктивное оформление туннельного диода приведены на рисунке 1.16

Рисунок1.16.- Устройство (а) и конструктивное оформление (б) туннельного диода

За счёт предельной концентрации примеси происходит перекрытие валентной зоны P -области с зоной проводимости N -области. Часть валентных электронов P - области оказывается на энергетических уровнях, равных уровням, занимаемым свободными электронами зоны проводимости N -области и становится возможен туннельный эффект – переход электронов и дырок сквозь узкий потенциальный барьер без изменения своей энергии в противоположные области. Схема включения и ВАХ туннельного диода приведены на рисунке 1.17.

а б

Рисунок 1.17. – Схема включения(а) и ВАХ (б)туннельного диода

С увеличением напряжения до 0.18 В туннельный ток растёт до максимального значения (точка 1 на рисунке 1.17,б). При дальнейшем увеличении напряжения до 0.6 В перекрытие зон уменьшается до нуля, туннельный ток становится равным нулю (точка 3). Ток прямой не равен нулю, так как при напряжении 0.6 В становится заметным обычный ток диффузии, который возрастает с повышением прямого напряжения.

На участке 1-3 увеличение напряжения приводит к уменьшению тока и туннельный диод на этом участке обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением: R_д = ΔU_пр /ΔI_пр ‹ 0.

Основные параметры туннельного диода:

Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ (точка 1);

Напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

Ток впадины I_в – прямой ток в точке минимума ВАХ (точка 2);

Напряжение впадины U_в – прямое напряжение, соответствующее току впадины;

Напряжение раствора U_р-р – напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви (точка 5);

Максимальная мощность рассеяния P_max;

Максимально допустимый постоянный прямой ток I_{пр max};

Максимально допустимый постоянный обратный ток I_{обр max};

Максимальное постоянное прямое напряжение U_{пр max}.

Исходным материалом для изготовления туннельных диодов служит арсенид галлия или германий.

Наличие падающего участка вольт-амперной характеристики (1-2) позволяет использовать туннельные диоды в схемах генераторов, усилителей и переключателей СВЧ-диапазона, в импульсных устройствах.

Выводы. 1. Отличительной особенностью туннельных диодов является наличие на прямой ветви характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Благодаря этому туннельный диод может быть использован в качестве усилительного элемента. 2. В туннельных диодах туннельный эффект достигается за счет очень высокой концентрации примесей в P- и N- областях. 3. Так как возникновение туннельного тока не связано с инжекцией носителей заряда, туннельные диоды имеют очень малую инерционность (за счет емкости) и поэтому могут применяться для усиления и генерирования колебаний СВЧ.

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве электрически управляемой емкости. Варикапы работают при обратном включении, так как барьерная ёмкость больше диффузионной. С увеличением обратного напряжения толщина PN -перехода увеличивается, а ёмкость уменьшается.

Основные параметры варикапов:

Номинальная емкость C_н – емкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по емкости К_с = C_max / C_min;

Добротность варикапа Q – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении.

Предельные параметры аналогичны обычному кремниевому диоду.

Варикапы применяются в схемах автоматической подстройки частоты, частотной модуляции, в параметрических усилителях. На рисунке1.18,а приведена схема включения варикапа для подстройки частоты колебательного контура, а на рисуноке1.18,б – его вольт-фарадная характеристика.

а б

Рисунок 1.18. а – Схема включения варикапа; б – ВФХ варикапа

Контрольные вопросы:

1. Почему характеристика обратного тока выпрямительного диода, снятая при комнатной температуре, отличается от идеальной характеристики PN -перехода?

2. Почему выпрямительные диоды изготавливают, как правило, с кремниевым PN -переходом?

3. Что такое дифференциальное сопротивление диода? Как определяется сопротивление диода постоянному току?

4. Каким образом кремниевый стабилитрон стабилизирует напряжение?

5. Почему полупроводниковые стабилитроны изготавливают на основе кремния?

6. Что такое стабистор?

7. Что такое варикап?

8. За счет чего в туннельном диоде получают туннельный эффект при прямом напряжении?

Дата добавления: 2014-11-16