Обращенный диод

Туннельный диод (ТД)

Стабилитрон (опорный диод)

Конструкции таблеточных диодов

В таком диоде выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между двумя медными основаниями, обладающими повышенной теплоэлектропроводностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины при сборке на заводе. Прижимные контакты позволяют снизить механические напряжения, возникающие в элементе при резких изменениях температуры. В результате этого, а так же благодаря двухстороннему отводу тепла, повышается стойкость диодов к перегрузкам. Вентили таблеточной конструкции зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей, изолированными друг от друга.

Выпрямительные установки тяговых подстанций и электроподвижных составов комплектуются лавинными диодами. При применении лавинных диодов отпадает необходимость в применении специальных средств защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с не лавинными, имеющими тоже значение напряжения пробоя.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Особенностью стабилитрона является наличие обратной ветви ВАХ области электрического пробоя p-n-перехода (рис. 5.3, участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.

Для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n- перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями) можно получить различные значения напряжения стабилизации.

Примерами использования стабилитронов могут служить:

1) схема стабилизации постоянного напряжения (рис. 5.4).

На схеме R_огр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения U_вх увеличивается ток стабилизации I_стаб и падение напряжения ∆U на резисторе R_огр. Напряжение на выходе U_вых, на стабилитроне и R_н, остается почти неизменным.

Рис. 5.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Рис. 5.4. Схема стабилизации постоянного напряжения

При изменении R_н происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется.

В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры, для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают терморезистор R_т, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры;

2) датчик, реагирующий на изменение напряжения (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Датчик, реагирующий на изменение напряжения

В системах автоматики стабилитроны часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение U_вх возрастает выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушка реле), начнет протекать ток, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.

5.7.1 Основные параметры стабилитрона

К параметрам стабилитрона относятся:

1) напряжение стабилизации U_стаб – соответствует значению в точке р на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе от 4 до 100 мА;

2) минимальный ток стабилизации I_{мин стаб} и максимально допустимый ток стабилизации I_{макс стаб}.

Значение I_{мин стаб} определяется необходимой устойчивостью работы, так как при I_обр < I_{мин стаб} лавинный пробой может быть неустойчивым.

При значении I_обр > I_{макс стаб} происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя;

3) динамическое сопротивление стабилитрона r_т (R_диин)

(5.1)

Чем меньше r_т, тем лучше стабилизация;

4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1^°С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется.

Рис. 5.6. Зависимость обратной ветви вольтамперной характеристики

от температуры

, %/°С, (5.2)

, %/^°С. (5.3)

Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 5 В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких, на более высоких напряжениях, и узких, низковольтных, p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинные пробои, а в узких – зеннеровские.

При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно.

U_ст = U_ст1+U_ст2+...+U_{ст n}.

Параллельное соединение стабилитронов не допускается, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилитрона.

Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.

5.7.2 Двухсторонние стабилитроны

Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображена на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.

На рис. 5.7 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – область проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа

ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречновключенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат.

а б в

Рис. 5.6. Условное обозначение двухстороннего стабилитрона (а), его конструктивное исполнение (б) и вольтамперная характеристика (в)

ТД представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, образованным материалами с высокой концентрацией атомов примесей. Электрическая проводимость таких полупроводников приближена к электрической проводимости металла. Условное обозначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика приведены на рис. 5.8. Туннельные диоды изготавливаются из германия и арсенида галлия.

Особенностями туннельных диодов являются:

1) малая толщина запорного слоя;

2) высокая напряженность электрического поля.

Эти особенности получены в результате использования сильнолегированных полупроводниковых материалов (концентрация примесей составляет 10¹⁹-10²⁰ атомов на см³). Такие полупроводники обладают очень малым удельным сопротивлением (в сотни или тысячи раз меньше, чем в обычных диодах) и называются вырожденными.

Если приложить к ЭДП обратное напряжение, то напряженность электрического поля в нем возрастает еще больше, и оно окажется способным вырывать валентные электроны из кристаллической решетки полупроводника p-типа, отрывая их от атомов и перебрасывать через p-n-переход в полупроводник n-типа, где они становятся основными носителями электричества.

а б

Рис. 5.8. Условное обозначение туннельного диода (а) и его

вольтамперная характеристика (б)

В отличие от обычного диода в ТД электроны перемещаются непосредственно из валентной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Энергия, которой они обладают, недостаточна для преодоления потенциального барьера p-n-перехода и они проходят сквозь этот барьер под действием электрического поля высокой напряженности (более 10⁵ в/см) по определенным каналам (туннелям). Такой механизм прохождения электрона через узкий p-n-переход называется туннельным эффектом.

Так как число электронов в валентных связях полупроводника так же велико, как и число свободных электронов в металле, то при включении туннельного диода в обратном направлении, его ВАХ принимает вид металлического проводящего контакта. В ней отсутствуют участки запирания с малым обратным током.

Если к диоду приложить напряжение прямой полярности U_пр, то поле в ЭДП несколько ослабнет, но будет еще достаточным для создания туннельного эффекта. При большем увеличении U_пр туннельный эффект начинает исчезать, что приведет к появлению падающего участка аб (рис. 5.8, б) ВАХ с отрицательным сопротивлением.

При дальнейшем повышении U_пр туннельный эффект полностью исчезает и происходит обычный процесс прохождения тока через p-n-переход и ВАХ становится как у обычного диода.

Туннельный диод нельзя использовать для выпрямления переменного тока, так как он обладает высокой проводимостью при обратном включении. Его применяют для создания и усиления электрических колебаний. На участке аб (рис. 5.8) диод имеет отрицательное сопротивление, которое не вносит дополнительных потерь в электрическую цепь, а компенсирует потери энергии в других элементах за счет энергии источника питания. Поэтому если положительное сопротивление ослабляет электрические сигналы, то отрицательное может их усиливать.

Преимущества ТД как усилителя сигналов: малые размеры; способность работать в широком диапазоне температур и на очень высоких частотах (до 10000 МГц); высокая температурная стабильность и малое потребление энергии.

Основные параметры ТД:

1) U_n, I_n – напряжение и ток пика соответственно, точка а на ВАХ (рис. 5.8, б);

2) U_в, I_в – напряжение и ток впадины, точка б на ВАХ;

3) U_nn – напряжение на второй восходящей части ВАХ, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому, точка в на ВАХ;

4) I_n/I_в, для выпускаемых диодов I_n=(0,1-1000) мА, I_n/I_в=(3¸30).

Обращенный диод – диод на основе полупроводника с несколько меньшей концентрацией примесей, чем у туннельного диода, при которой туннельный эффект при прямом напряжении выражен слабо (или отсутствует), а при обратном напряжении проявляется как у туннельного диода. Условное обозначение и вольтамперная характеристика обращенного диода изображены на рис. 5.9.

У обращенного диода обратная ветвь характеристики используется в качестве прямой, а прямая – в качестве обратной (от сюда и название диода). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение U_пр£0,3 В, то прямой ток будет приблизительно равен нулю. При небольшом обратном напряжении (десятки мВ) обратный ток достигает значений нескольких миллиампер.

а б

Рис. 5.9. Условное обозначение обращенного диода (а) и его

вольтамперная характеристика (б)

5.9.1. Варикап

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, и который применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Изготавливается из кремния.

а б

Рис. 5.10. Условное обозначение варикапа (а) и зависимость емкости от обратного напряжения (б)

Основные параметры варикапа:

1) общая емкость с_в, которая фиксируется при небольшом значении обратного напряжения (U_обр=2¸5В);

2) коэффициент перекрытия по емкости к_с

. (5.4)

Для большинства варикапов с_в=10¸500 пФ и к_с=5¸20.

Варикапы применяют в системах автоматической подстройки частоты, в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Дата добавления: 2014-01-06