16. Различные виды диодов: выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, диоды Шоттки.

1. Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (Iпрmax≤0,3АIпрmax≤0,3А), средней мощности (0,3А<Iпрmax≤10А0,3А<Iпрmax≤10А) и большой мощности (Iпрmax>10АIпрmax>10А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов.

Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.

По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в pp-nn-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою pp-nn-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов

2. Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на обратной ветви ВАХ которого в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 2.5‑1. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне (UстUст) лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации (IстIст). Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

В стабилитронах могут возникать два вида электрического пробоя: туннельный (зенеровский) пробой — для диодов с Uст>5ВUст>5В, лавинный пробой — для диодов с Uст>7ВUст>7В. В интервале 5...7 В возникает смешанный вид пробоя. Независимо от напряжения стабилизации и существующего вида пробоя, в различной литературе (особенно в зарубежной) стабилитроны часто называют по имени первооткрывателя туннельного пробоя — зенеровскими диодами или просто зенерами (Zeners).

Некоторые стабилитроны могут использоваться в импульсных режимах. Они применяются для стабилизации амплитуды импульсов, их ограничения, а также для защиты входов чувствительных устройств от перегрузок по напряжению. Такие стабилитроны называются импульсными стабилитронами.

Для применения в критически важных каскадах и измерительной аппаратуре разработаны специальные прецизионные стабилитроны. В этих приборах путем последовательного соединения двух или более pp-nn-переходов достигается высокая точность и устойчивость напряжения стабилизации к изменениям тока и температуры.

Наряду со стабилитронами, имеющими несимметричную ВАХ, выпускаются двуханодные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ. Они применяются для двустороннего ограничения напряжения, могут использоваться так же и как опорные стабилитроны.

3. Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости pp-nn-перехода от обратного напряжения. Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безынерционно менять их емкость. Варикапы применяют для перестройки частоты колебательных контуров и фильтров, усиления и генерации СВЧ сигналов или автоподстройки частоты.

Принцип работы варикапа основан на свойствах барьерной емкости pp-nn-перехода, причем при увеличении обратного напряжения на переходе его емкость уменьшается. Эта емкость имеет относительно высокую добротность, низкий уровень собственных шумов и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле: 

 где C₀— начальная емкость варикапа (при U_В = 0), U_В— напряжение на варикапе, ϕ_к — контактная разность потенциалов. Пример зависимости емкости варикапа от напряжения (вольт-фарадная характеристика) приведен на рис. 2.6‑1.

Варикапы делятся на подстроечные и умножительные (или варакторы).Подстроечные варикапы используются для изменения резонансной частоты колебательных систем, например, в системах автоматической настройки, в управляемых фильтрах и т.п. Поскольку очень часто для увеличения перекрытия по емкости в схемах применяется последовательное встречное включение варикапов, широкое распространение получили варикапные сборки. По сути это два или более варикапа с идентичными параметрами, собранные в одном корпусе и имеющие один общий вывод катода или анода (иногда они могут быть и электрически не связаны). Такие сборки могут включаться как для управления одним контуром, так и для нескольких не связанных контуров, обеспечивая идентичность управления в них. Умножительные варикапы (варакторы) применяются в генераторах, смесителях, частотных преобразователях и т.п. для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт-фарадной характеристики (при подаче на варикап гармонического напряжения через него протекает ток, в котором проявляются высшие гармоники из-за того, что емкость зависит от напряжения). Особенностью варакторов является то, что повышенная нелинейность вольт-фарадной характеристики является основным требованием, определяющим характеристики устройств на их основе. Чем выше такая нелинейность, тем выше амплитуда соответствующих гармоник в токе, проходящем через варактор, а это основное условие повышения КПД частотного преобразования.

4. Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 2.7‑1. Туннельный переход электронов через pp-nn-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (вырожденные полупроводники). При этих условиях ширина pp-nn-перехода очень мала, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер.

Туннельный ток может проходить через переход в обоих направлениях. Однако в области прямого смещения туннельный ток сначала резко растет, а достигнув некоторого максимального значения, затем резко убывает. Снижение тока связано с тем, что с увеличением напряженности электрического поля в переходе в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При некотором значении прямого напряжения число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает совсем. Дальнейшее увеличение прямого напряжения оказывает влияние только на прямой диффузионный ток, который увеличивается с ростом напряжения также, как и у обычных выпрямительных или универсальных диодов. В области обратного смещения у туннельных диодов наблюдается только резкий рост туннельного тока при увеличении обратного напряжения.

Ввиду очень малой толщины pp-nn-перехода туннельного диода время перехода электронов через него очень мало, поэтому туннельный диод в области малых напряжений — практически безынерционный прибор. Его частотные характеристики определяются в основном барьерной емкостью перехода и различными утечками.

Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока) позволяет использовать диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в разнообразных импульсных устройствах, что тем более оправдано, учитывая высокое быстродействие туннельных диодов. Качественные показатели таких устройств определяются длиной и линейностью участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ диода. В зависимости от того, для применения в каких из перечисленных выше устройств они предназначены, туннельные диоды делятся на усилительные, генераторные и переключательные.

5. Диоды Шоттки получают, используя переход металл-полупроводник. При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того же полупроводника (рис). 

Рис. УГО и структура диода Шоттки: 1 – низкоомный исходный кристалл кремния, 2 – эпитаксиальный слой высокоомного кремния, 3 – область объемного заряда, 4 – металлический контакт.

На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1 - 20 пФ).

Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц).

17. Биполярные транзисторы, принцип работы, основные характеристики и параметры.

Транзистор – полупроводниковый трехэлектродный прибор, предназначенный для усиления, генерации электрических сигналов. Биполярные транзисторы (БТ), в которых ток переносится, носителями заряда обоих типов – основными и неосновными. Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы.

Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки». 

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается. 

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной. 

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер

• время включения

• обратный ток колектора

• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.