Стабилитроны

Диоды

Диоды, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом А и катодом К. На рис. 4 показано условное обозначение диода. Если приложено положительное напряжение U_АК > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_АК < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I(U_АК). Типовая характеристика диода представлена на рис. 5.

Рис. 4. Условное обозначение диода

Рис. 5. Типовая ВАХ диода

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_АК. Однако он не должен превышать определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1 I_макс. Для германия U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния – от 0,5 до 0,8 В.

Из рис. 5 видно, что обратный ток при напряжениях | U_АК | > U_{обр.макс} возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах U_{обр.макс} = (10÷10⁴) В.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции [3]:

, (2.1)

где – теоретический обратный ток, Т – абсолютная температура p–n -пере­хода, – термический потенциал. При комнатной температуре

Поправочный коэффициент m учитывает отклонение от теории диода Шокли. Он находится в пределах 1÷2.

Уравнение (2.1) описывает характеристику реального диода только в прямом направлении и для небольших токов. Реальный обратный ток диода значительно превосходит теоретическую величину .

Величина (рис. 5) часто определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви характеристики. Но в действительности перегиб прямой ветви характеристики является кажущимся. Перегиб появляется вследствие отображения экспоненциальной функции (2.1) в линейном масштабе по оси абсцисс. При отображении в логарифмическом масштабе точка перегиба отсутствует.

С помощью формулы (2.1) несложно рассчитать, что при увеличении прямого напряжения на 60 мВ прямой ток возрастает в 10 раз.

Поскольку изависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается приближенным соотношением:

,

т. е. при увеличении температуры на 1К прямое напряжение на диоде уменьшается примерно на 2 мВ. Это свойство позволяет использовать диод в качестве датчика температуры.

Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если приложенное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10К. При изменении температуры на 100 К обратный ток соответственно возрастет в тысячу раз.

В динамическом режиме работы переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом р–n -переход должен освободиться от накопленного заряда.

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

В диодах обычного типа обратный ток существенно возрастает при превышении максимального обратного напряжения. Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации . На рис. 6, а показано условное обозначение стабилитрона, а на рис. 6, б приведена его вольт-амперная характеристика.

а) б)

Рис. 6. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) стабилитрона

Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации
3–200 В; их прямое напряжение составляет ~ 0,6 В. Как видно из рис. 6, обратное сопротивление диода при малых обратных напряжениях <велико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения . Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление:

.

Стабилитроны с ≈ 8 В имеют наименьшее дифференциальное внутреннее сопротивление; с уменьшением это сопротивление возрастает. Таким образом, стабилизирующий эффект при малых напряжениях стабилизации проявляется в меньшей степени [2].

Дата добавления: 2014-01-07