Варикапы

Стабилитроны и стабисторы

Импульсные диоды

Импульсное прямое напряжение Uпр.и. - пиковое прямое напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока.

Импульсное обратное напряжение Uобр.и. - пиковое обратное напряжение на диоде, включая как однократные выбросы, так и периодически повторяющиеся.

Общая емкость Cд - емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении и частоте.

Время установления прямого напряжения Tуст - интервал времени с момента подачи импульса прямого тока на диод (при нулевом напряжении смещения) до достижения заданного прямого напряжения на диоде.

Время восстановления обратного сопротивления Tвос - интервал времени с момента прохождения тока через нуль после переключения диода из состояния заданного тока в состояние заданного напряжения до момента достижения заданного обратного тока.

Заряд переключения Qпк - часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное.

Напряжение стабилизации Uст - напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации.

Допускаемый разброс напряжения стабилизации от номинального?Uст.ном. - максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов данного типа.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rст - отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации?ст - отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Полная емкость стабилитрона C - емкость между выводами стабилитрона при заданном напряжении смещения.

Емкость варикапа Cн - емкость, которая измеряется между выводами при заданном обратном напряжении.

Коэффициент перекрытия по емкости Kc - отношение емкостей варикапа при двух заданных обратных напряжениях.

Добротность варикапа Q - отношение реактивного сопротивления на данной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении.

Постоянный обратный ток варикапа Iобр - постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

В общем, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст.min до Iст.max.

Стабисторы, это стабилитроны, предназначенные для стабилизации малых напряжений (менее 3В). Применяют стабисторы в прямом включении и у них используется прямая ветвь ВАХ. 2.3 Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольтамперной характеристикой называют также и график этой зависимости. Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют ли6нейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линией, проходящей через начало координат, называются нелинейными. Диод представляет собой пассивный нелинейный электронный прибор. Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением I = I0 [exp(Uд/ ϕт) – 1], (1) где I0 – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных носителей); Uд – напряжение на p-n-переходе; ϕт – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 K, ϕт = 0,025 В). По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток резко возрастает по экспоненте. При отрицательных значениях напряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный ток диода определяется значением теплового тока и на несколько порядков меньше прямого тока. В этом проявляются вентильные свойства диода, которые выражены тем сильнее, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше прямое напряжение при заданном прямом токе. Поэтому ВАХ имеет вид, приведенный на рисунке 3. Рассмотренная характеристика является теоретической ВАХ диода. Она не учитывает рекомбинационно-генерационные процессы, происходящие в объеме и на поверхности p-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным. ВАХ реального диода имеет вид, приведенный на рисунке 3 (сплошная линия). Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет вверх со все большей крутизной. Но при некотором значении напряжения запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление n- и p-областей, которое приближенно можно считать постоянным, поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n- и p-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, то есть увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок абв) является обратимым, то есть при этом пробое в переходе не происходит разрушение структуры полупроводника. При электрическом пробое обратный ток увеличивается при практически неизменном обратном напряжении и при уменьшении напряжения работоспособность диода восстанавливается. При тепловом пробое рост обратного тока сопровождается уменьшением напряжения. Имеется два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот вид пробоя характерен для p-n-перехода большой толщины. Пробивное напряжение составляет десятки или сотни вольт. Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, который состоит в том, что в p-n-переходе малой толщины при больших значениях напряженности электрического поля некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Напряжение, соответствующее этому виду пробоя, обычно не превышает единиц вольт. В режиме электрического пробоя работают специальные диоды – стабилитроны; для прочих видов диодов режим пробоя является аварийным. Если при пробое ток в цепи не ограничить, диод выходит из строя. В таких приборах при увеличении (по модулю) обратного напряжения практически сразу начинается тепловой пробой. Области теплового пробоя соответствует участок вг. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющееся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимое от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению. 8На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, то есть увеличивается концентрация носителей и проводимость растет, поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это показывают ВАХ, измеренные при различных температурах (рисунок 4).

Прямой ток при нагреве диода растет не так быстро, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный и максимальный ток стабилизации.

Выводы:

1. С повышением температуры обратный ток у германиевых выпрями-тельных диодов резко возрастает за счет роста теплового тока.
2. У кремниевых диодов тепловой ток очень мал, и поэтому они могут ра-ботать при более высоких температурах и с меньшим обратным током, чем гер-маниевые диоды.
3. Кремниевые диоды могут работать при значительно больших обратных напряжениях, чем германиевые диоды. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение у кремниевых диодов увеличивается с повышением тем-пературы до максимального значения, в то время как у германиевых диодов резко падает.
4. Вследствие указанных преимуществ в настоящее время выпрямитель-ные диоды в основном изготавливают на основе кремния.

Пробоем называется резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного уровня, выше которого обратный ток возрастает с большим градиентом в узком диапазоне обратного напряжения.

Пробои переходов могут быть двух видов:

1) тепловой пробой;

2) электрический пробой.

В свою очередь электрический пробой делится на два типа: лавинный и туннельный.

Тепловой пробой является необратимым. Возникает он при нарушении баланса выделяемой в переходе мощности и мощности, рассеиваемой в окружающую среду. Если выделяемая мощность больше рассеиваемой, то температура внутри перехода увеличивается. При этом увеличивается внутреннее напряжение между материалами с различными коэффициентами теплового расширения. Когда эти напряжения превышают предел упругой деформации или предел прочности какого-либо слоя, то в нем происходят необратимые изменения структуры. При дальнейшем увеличении температуры она может увеличится до температуры плавления какого-либо материала, поэтому даже при понижении температуры до исходной, поскольку рекристаллизация расплава носит неуправляемый характер восстановление первоначальной структуры не происходит.

Лавинным пробоем называют явление резкого повышения обратного тока в узком диапазоне прироста обратного напряжения, которое вызвано лавинообразным размножением носителей заряда в результате ударной ионизации атомов в области перехода.

Механизм пробоя заключается в лавинообразном размножении носителей заряда в сильном электрическом поле. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из валентных связей атома п/п, расположенного в области перехода. В результате рождается новая пара электрон - дырка и процесс может повторяться под действием этих новых носителей. Тогда суммарный ток через переход окажется больше, чем в отсутствии такой ионизации. При достаточно большой напряженности поля, когда одна исходная пара носителей в среднем порождает несколько больше одной новой пары, ионизация может приобрести лавинный характер.

Напряжение лавинного пробоя при увеличении температуры увеличивается, т.к. расстояние, проходимое электроном уменьшается вследствие того, что происходит усиление колебаний атомов в узлах кристаллической решетки (рисунок 1).

Туннельным пробоем называется явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона. Туннельный пробой возможен в диодах, у которых в электронно-дырочных переходах:

1) толщина перехода меньше диффузионной длины свободного пробега электрона;

2) напряженность результирующего электрического поля не менее 108В/м;

3) на том же самом энергетическом подуровне, котором соответствует энергетическому состоянию электрона в соседней области, куда должен перейти электрон существует вакантное место, т.е. дырка.

Для создания таких условий электронно-дырочный переход выполняют из п/п с высоким уровнем легирования акцепторными и донорными примесями. В этом случае равновесный энергетический барьер возрастает пропорционально log(произведения основных носителей заряда). Это приводит к увеличению внутреннего электрического поля до необходимых значений его напряженности, и локализует его в области меньшей диффузионной длины свободного пробега электронов. Возрастание энергетического барьера приводит к такому смещению энергетических уровней, что потолок валентной зоны p-п/п имеет энергию большую, чем энергия дна зоны проводимости n-п/п. В результате этого образуется зона перекрытия величиной ΔW, в которой возможно явление туннелирования или протекания туннельных токов.

Лавинный и туннельный пробои, в отличие от теплового пробоя, являются обратимыми. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.

Электронно-дырочный переход илиp-n-переход – это переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая n-типа. При отсутствии внешнего электрического поля p-n-переход находиться в состоянии равновесия. Из-за различной концентрации примесей, основные носители зарядов п/п p-типа – дырки, диффундируют в n-область, где они неосновные. Аналогично, электроны из п/п n-типа диффундируют в p-область. В результате в слоях прилегающих к переходу образуются объемные заряды, в области которых возникает внутреннее электрическое поле (рисунок 1). Внутреннее электрическое поле, созданное объемными зарядами, является фактором, под действием которого обеспечивается равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направлениях, т.е. равенство нулю тока в отсутствие внешнего электрического поля. Это обусловливается тем, что внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером ΔWсоздает тормозящее действие для основных и ускоряющее – для неосновных носителей заряда. Таким образом, внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению плотности диффузионного тока через переход и появлению встречного ему дрейфового тока плотностью.

Если подключить к p-n – переходу внешнее напряжение так, что плюс источника подключен к p-области, а минус к n-области, то получим прямое включение внешнего напряжения, называемое прямым смещением. При таком включении напряжения направление внешнего электрического поля противоположно внутреннему, и по принципу суперпозиции полей, внутреннее поле ослабляется. В результате происходит уменьшение энергетического барьера, что приводит к увеличению диффузионной составляющей проводимости, т.к. большее количество носителей может преодолеть потенциальный барьер. Указанное явление называют инжекцией носителей заряда через p-n-переход. Энергетическая диаграмма представлена на рисунке 2б. Чем больше Е_внеш (U_a), тем меньше величина потенциального барьера, в связи с чем возрастает прямой ток I_a через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n-перехода показан на рисунке 2в (ток перехода равен произведению плотности тока через переход на площадь его сечения).

Если подключить к p-n-переходу внешнее напряжение так, что плюс источника подключен к n-области, а минус – к p-области, то получим включение внешнего напряжения называемое обратным смещением. При таком включении направление внешнего электрического поля сонаправлено с внутренним по принципу суперпозиции полей, внутреннее поле усиливается. В результате происходит увеличение потенциального барьера. В результате поток основных носителей заряда способных преодолеть этот барьер, резко уменьшается. Результирующий ток через p-n-переход направлен в этом случае от n-области к p, т.е. совпадает по направлению с током, создаваемым дрейфовыми потоками неосновных носителей. Такой ток называется обратным током. Энергетическая диаграмма представлена на рисунке 3б.Обратная ветвь ВАХ p-n-перехода, характерная для такого включения, показана на рисунке 3в. При небольших обратных напряжениях увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. При обратном напряжении, соответствующем точке 1 и большем, основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, в связи, с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняется отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напряжения (участок характеристики левее точки 1).

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Устройство и основные виды тиристоров

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою —катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором ^[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Дата добавления: 2015-05-06