6.1.1. Вольтамперная характеристика выпрямительного полупроводникового диода на постоянном токе (статическая х-ка)

Вольтамперная характеристика (ВАХ) — это зависимость тока I, протекающего через диод, от напряжения U, приложенного к диоду. Вольтамперной характеристикой называют и график этой зависимости.

В первом приближении можно считать, что ВАХ диода определяется идеализированным описанием характеристики р-n перехода:

I = I_s · (e ^φ_T - 1),

где: I_S – тепловой ток (ток насыщения – saturation current (англ.)), обусловленный генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области p-n-перехода;

φ_T = kT/q – потенциал Ферми (температурный потенциал) – здесь:

k – постоянная Больцмана (k = 1,38·10^-23 Дж/К = 8,62·10^-5 эВ/К);

T – абсол. температура, К;q – элементарный заряд (q = 1,6·10^-19 Кл.

Для кремния, при температуре +27^оС (300 ^оК) – φ_T.≈ 0,026 В.

Термогенерация в области p-n-перехода оказывает существенное влияние на ток. При практических ориентировочных расчетах иногда принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10°С.

Рисунок 6.1 Типовая ВАХ выпрямительного диода

U_от – напряжение отпирания диода (типовое значение для кремниевых (Si) диодов 0,6-0,8 В, для германиевых – 0,3-0,4 В);

I_{пр.макс} – максимально допустимый постоянный прямой ток;

U_пр – постоянное прямое напряжение, соответствующее заданному току (чаще всего – I_{пр.макс});

U_{обр.макс} – максимально допустимое обратное напряжение диода (положительная величина);

I_{обр.макс} – максимально допустимый постоянный обратный ток диода (положительная величина; если реальный ток больше, чем I_{обр.макс}, то диод считается непригодным к использованию);

r_диф – дифференциальное сопротивление диода (при заданном режиме работы), r_ст = dU/dI.

6.1.2. Характеристики и параметры полупроводникового стабилитрона

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя.

В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно. В разных типах стабилитронов может иметь место туннельный, лавинный или смешанный тип электрического пробоя. В низковольтных, (до 5,7 В) стабилитронах имеет место туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой.

Рисунок 6.2 Типовая ВАХ стабилитрона

Основные параметры стабилитрона:

U_ст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя);

I_ст.мин – минимально допустимый ток стабилизации;

I_{ст.макс} – максимально допустимый ток стабилизации;

r_ст = dU/dI.– дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), типовое значение – единицы - десятки Ом;

a_ст = dU_ст./dT (В/^oC) - температурный коэф. напряжения стабилизации;

Величины U_ст, I_ст.мин и I_{ст.макс} принято указывать как положительные.

Не рекомендуется использовать стабилитрон при обратном токе, меньшем по модулю, чем I_ст.мин, так как стабилизация напряжения при этом будет неудовлетворительной. Если же обратный ток по модулю превысит I_{ст.макс}, то стабилитрон может перегреться, начнется тепловой пробой и прибор выйдет из строя. Чем меньше величина r_ст, тем лучше стабилизация напряжения.

Пример применения стабилитрона показан на схеме параметрического стабилизатора напряжения (рисунок 6.3). Если напряжение U_вх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения U_вых (при изменении напряжения U_вх изменяется только ток I, а также напряжение U_R = I • R).

Uвых

Uвх

Рисунок 6.3. Схема параметрического стабилизатора