Меню

Чем ограничена величина наибольшего тока стабилизации опорного диода

Опорные диоды или кремниевые стабилитроны

Так называются диоды в которых лавинный или туннельный пробой p-n перехода используется с целью стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной ветви, соответствующий пробою.

Наличие участка АБ, где малому изменению напряжения соответствует большое изменение тока, позволяет использовать стабилитроны в качестве стабилизаторов напряжения или эталонных (опорных) источников напряжения. Германиевые диоды здесь не могут быть использованы, т.к. им свойственен тепловой (необратимый) пробой.

Если входное напряжение изменить на ΔUнест , то ток через стабилитрон получит приращение ΔIст, а

выходное напряжение . Так как подставляя получим:

или Отсюда следует, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона тем меньше изменение выходного напряжения вызванное изменением входного.

Такой стабилизатор напряжения называется параметрическим.

Параметры стабилитронов

1. -номинальное напряжение стабилизации – падение напряжения на стабилитроне при заданном значении тока. Как у отечественных, так и у зарубежных стабилитронов эта величина лежит в пределах от 2 до 300 В. Низковольтные стабилитроны (от 2 до5 В) изготавливаются на основе сильно легированного кремния и в них имеет место туннельный пробой. В стабилитронах с Uст.ном от 5 до 7 В одновременно имеет место как туннельный, так и лавинный пробой, при Uст.ном выше 10 В основную роль играет лавинный пробой.

2. и -соответственно минимальный и максимальный ток стабилизации. Минимальный ток стабилизации ограничивается условием существования устойчивого пробоя и имеет порядок единиц – десятков миллиампер. максимальный ток стабилизации ограничен допустимым перегревом

перехода т.е. максимальной мощностью рассеивания . У современных стабилитронов Iст.мах лежит в пределах от единиц миллиампер до единиц ампер, а Pмах от сотен милливатт до единиц ватт.

3. -дифференциальное сопротивление на рабочей ветви ВАХ от десятых долей ом у мощных низковольтных стабилитронов, до сотен ом у высоковольтных. Этот параметр в основном определяется сопротивлением толщи полупроводника за пределами p-n перехода. У наиболее распространённых в употреблении маломощных, низковольтных стабилитронов эта величина лежит в пределах 10-50 ом.

4. -температурный коэффициент напряжения. Его размерность % / C o .

Величина и знак ТКН зависят от характера пробоя. Туннельный эффект характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный положительным. Наименьший ТКН имеют стабилитроны с номинальным напряжением стабилизации около 5,6В. Для уменьшения ТКН лавинных стабилитронов встречно – последовательно с ними включают один или два обычных диода, которые оказываются смещены в прямом направлении, в то время как сам стабилитрон смещён в обратном. Таким образом достигается компенсация увеличения напряжения на стабилитроне при возрастании температуры, за счет уменьшения напряжения на смещеннном в прямом направлении диоде.

Примером таких стабилитронов, которые называются термокомпенсированными служит отечественный стабилитрон Д818, у которого последовательно со стабилитроном включены два компенсационных p-n перехода.

Варикапы

Варикапами, варикондами или параметрическими диодами называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве переменной ёмкости, управляемой напряжением. Здесь используется свойство перехода изменять свою барьерную ёмкость при изменении приложенного к нему обратного напряжения. Диффузионная ёмкость для этих целей не используется т.к. она шунтируется малым дифференциальным сопротивлением перехода, смещённого в прямом направлении.

Варикапы предназначаются для работы в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное высокой частоты, измерительных усилителях, в качестве элемента настройки высокочастотных контуров.

На рисунках приведены зависимость ёмкости варикапа Д902 от напряжения на нём пример его использования и эквивалентная схема.

Конденсатор Ср служит для того, чтобы постоянное напряжение подаваемое на варикап через сопротивление R1 не замыкалось через катушку индуктивности колебательного контура L1С1.

Параметры варикапов

1. -добротность варикапа есть отношение реактивной мощности , запасаемой барьерной ёмкостью, к мощности

потерь , где φ – угол между напряжением и током.

На низких частотах можно пренебречь Rб, тогда Qнч = 2·π·f·Rд·Cбар , а на высоких Rд , тогда Qнч = (2·π·f·Rб·Cбар) -1 . Отсюда видно, что для повышения добротности надо уменьшать сопротивление базы.

2. -номинальная ёмкость при заданных: обратном напряжении, частоте и температуре.

3. -коэффициент перекрытия по емкости.

4. -температурный коэффициент емкости.

5. -допустимое обратное напряжение.

6. -максимальный обратный ток.

7. -рабочий диапазон температур.

Импульсные диоды

Это диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах, формирователях коротких импульсов и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачкообразно. При этом приходится учитывать инерционность процессов накопления и рассасывания зарядов на границах p-n перехода.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима.

1. Прохождения прямоугольного импульса прямого тока через диод.

2. Переключение диода из открытого состояния в закрытое (переключение с прямого напряжения на обратное).

Считая, что E>>Uд имеем Iпр.и = E / R . Вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации неосновных неравновесных носителей заряда в базе диода, соответствующее току Iпр.и, не может установиться мгновенно. В области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем глубине базы. Следовательно сопротивление базы в её глубине вначале велико, а по мере повышения концентрации дырок сопротивление базы понижается. Поэтому напряжение на p-n переходе устанавливается быстрее, чем на базе. Согласно рисункам p-n переход обладает ёмкостной реакцией, а область базы – индуктивной. Разница между Uб(tвкл) и Uб(∞) будет тем больше, чембольше величина прямого тока. Поэтому форма напряжения на диоде U(t) = Upn(t) + Uб(t) будет зависеть от величины Iпр.и. При больших токах определяющими являются процессы в базе диода и реакция на перепад тока носит индуктивный характер(кр. 1). При малых токах, когда Uб(t)

Читайте также:  Ток в проводнике меняется по закону i 6 2t какое количество

Процесс установления напряжения на диоде характеризуется двумя параметрами:

1.Rи.макс = Uпр.и.макс / Iпр.и –прямое импульсное сопротивление диода. 2. tпр.уст –время установления прямого сопротивления диода – интервал времени от начала включения импульса прямого тока до момента достижения напряжением на диоде значения 1,1·Uпр.

При выключении источника прямого тока происходит процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей заряда как вследствие их рекомбинации, так и в результате их ухода во внешнюю цепь, если она имеется. В момент выключения тока наблюдается скачок напряжения на диоде Uб(tвыкл), вызванный изменением падения напряжения в базе диода. В течение всего времени пока на границе перехода имеется неравновесная концентрация заряда, его можно рассматривать как заряженную ёмкость или генератор послеинжекционной э.д.с. Если Rн = ∞, то спад послеинжекционной э.д.с. происходит в результате только рекомбинации. В противном случае ещё и за счёт протекания тока через Rн, причем вначале, пока избыточная концентрация велика, скорость спада определяется высокой скоростью рекомбинации, а не сопротивлением Rн. Форма напряжения на диоде при протекании через него прямого импульса тока приведена на рисунке.

Переключение диода с прямого напряжения на обратное.

Резистор R1 и источник E1 определяют величину прямого тока через диод, а R1 и E2 величину обратного тока.

Резистор R2 служит датчиком тока, т.е. его сопротивление выбирается настолько малым, что падением напряжения на нём можно пренебречь по сравнению с любыми другими падениями напряжения в схеме. В момент переключения ток через диод меняет направление на противоположное, дырки на границе перехода начинают втягиваться полем перехода в p-область и обратный ток, за счёт избыточной концентрации

дырок в базе диода, может скачком достичь большого значения. Так как инжекции больше нет, этот избыточный заряд в базе будет убывать как вследствие протекания обратного тока, так и в результате рекомбинации. В течении промежутка времени t1, пока напряжение на переходе, обусловленное неравновесным градиентом концентрации, остаётся положительным, величина обратного тока остаётся неизменной и определяется сопротивлением R1: I2 = Eобр / R1. Эта фаза переключения (t1) называется фазой высокой обратной проводимости и длится она пока граничная, избыточная концентрация не достигнет равновесной. Для плоскостных импульсных диодов если и если .

Вторая фаза (промежуток времени t2 ) обусловлена рекомбинацией избыточного заряда в глубине базы, концентрация которого стремится к равновесной. В течении этой фазы обратный ток монотонно спадает до величины нормального обратного тока диода I.

У плоскостных диодов . Параметрами, характеризующими импульсные диоды, являются все параметры высокочастотных диодов, приведённые выше параметры- Rи.макс и tпр.уст, а также параметр tвосс = t1 + t2 .

Диод с накоплением заряда

Это разновидность импульсных диодов, специально спроектированных для формирования коротких импульсов. Неравномерным распределением примесей в базе диода создаётся ускоряющее, либо

тормозящее поле, способствующее перераспределению инжектированного заряда в области базы.

Ускоряющее поле как бы оттягивает дырки от границы перехода, снижая граничную концентрацию, а тормозящее поле поджимает дырки к переходу, повышая их граничную концентрацию. Так как длительность первой фазы формирования обратного тока определяется временем спада граничной концентрации до равновесной, можно создавать диоды с заданной длительностью фазы высокой обратной проводимости.

Туннельный диод

Увеличением концентрации примесей в обоих полупроводниках можно добиться туннельного эффекта даже при равновесном состоянии p-n перехода. Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешённых зон на расстоянии ≈3φT от их границ. Напротив валентной зоны p-области располагаются уровни зоны проводимости n-области. Такое слияние зон происходит при некоторой критической концентрации примесей. Например для германия эта величина составляет 2·10 25 м -3 , а для кремния 6·10 25 м -3 , т.к. ширина запрещённой зоны у него больше.

При нулевом смещении перехода При небольших смещениях, как в прямом так и в обратном направлении через переход протекает туннельный ток электронов, величина которого зависит от приложенного напряжения. Обратный туннельный ток при этом может достигать весьма больших значений.

При увеличении прямого смещения прямой ток растёт за счёт увеличения прямого напряжения, затем рост тока замедляется из-за уменьшения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости смежных полупроводников. В точке максимума ВАХ увеличение прямого тока за счет увеличения прямого напряжения компенсируется его уменьшением вследствие сужения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. Отметим, что наряду с туннельным током, при прямом смещении, через переход протекает и диффузионный ток, однако его доля в прямом токе диода при небольших смещениях ещё невелика. Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению

прямого тока т.к. сужение области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости начинает влиять на величину тока в более значительной степени, нежели увеличение прямого напряжения.

Читайте также:  Как называется расческа с током для волос

Туннельный ток, при дальнейшем увеличении прямого напряжения, стремится к нулю, а диффузионный ток начинает расти. Этим обусловлен минимум тока на ВАХ, которая по мере дальнейшего увеличения прямого напряжения переходит в ВАХ обычного диода. Приборы, имеющие ВАХ подобную ВАХ туннельного диода называют приборами с N-образной ВАХ.

Источник

3.4. Опорные диоды

Опорные диоды приме-

няются для поддержания

ния) в схемах, где выпрям-

ленное напряжение может

изменяться. Эти диоды по-

лучили название стаби-

Рис. 3.15. Схемастабилизациинапряжения

На рис. 3.15 приведена

схема стабилизации напря-

жения. Резистор R б балла-

стное сопротивление. На

него сбрасывается избыток

ность вольт-амперной ха-

напряжения, создаваемое на

диоде после наступления

Рис. 3.16. Вольт-ампернаяхарактеристика

В германиевых диодах электрический пробой очень быстро пе-

реходит в тепловой. Поэтому опорные диоды изготавливаются на

основекремния, выдерживающегоболеевысокиетемпературы. Для

стабилизации большого напряжения можно включать последова-

тельно несколько однотипных опорных диодов.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны . В этих

приборах обычно используются три последовательно соединён-

ных p-n перехода. Один из них — стабилизирующий, включается

в обратном направлении, а два других — термокомпенсирующие,

включающиеся к прямом направлении. Стабилизирующий переход

работает в режиме лавинного пробоя. С повышением температуры

напряжение на нём растёт. Одновременное прямое напряжение на

двух термокомпенсирующих переходах уменьшается. Общее напря-

жение на стабилитроне изменяется незначительно.

3.5. Варикапы

Варикапы — это полупроводниковые диоды, действие которых

основано на использовании зависимости ёмкости p-n перехода от

обратного напряжения. Варикап предназначен для применения в

качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью. Варика-

пы называют также параметрическими диодами .

Варикапы включают в обратном направлении (рис. 3.17, а ), т.к.

при прямом смещении ёмкость p-n перехода шунтируется его ма-

лым сопротивлением. Последовательно с варикапом включают

Рис. 3.17. Варикап

а — эквивалентная схема; б — зависимость добротности варикапа

от частоты; в — условное графическое обозначение варикапа

высокоомный резистор R, уменьшающий шунтирование ёмкости варикапа внутренним сопротивлением источника питания.

Вольт-фарадная характеристика варикапа представлена на (рис. 3.17, б ). Один из основных параметров варикапа — общая ёмкость варикапа С в , включающая барьерную ёмкость и ёмкость корпуса, т.е. ёмкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении.

К варикапам предъявляются следующие требования: обеспечение высокой добротности прибора; максимальный диапазон изменения ёмкости при изменении обратного напряжения; повышение максимальной ёмкости.

На рис. 3.17, в представлено условное графическое обозначение варикапа.

3.6. Туннельные диоды

Дляизготовлениятуннельныхдиодовприменяютполупроводниковый материал (германий, арсенид галлия) с большой концентрацией примесей (до 10 19 примесных атомов в 1 см 3 ; в полупроводниках обычных диодов концентрация примесей не превышает 10 15 в 1 см 3 ). Полупроводникистакимбольшимсодержаниемпримесейпревращаются в полуметаллы и называются вырожденными ; они обладаютвбольшейстепенисвойствамиполупроводников. Электроныв вырожденных полупроводниках ведут себя, как в металлах.

Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n переход. Приэтомтокначинаетпроходитьчерез p-n переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигается туннельный эффект созданием очень тонкого обеднённого слоя, который в туннельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обеднённом слое в нём даже при напряжении 0,6—0,7 В напряжённость поля достигает (5—7)10 5 В/см. При этом через такой узкий p-n переход протекает значительный ток.

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смещения ток сначала растёт, а достигнув значения I max при напряжении U 1 , довольнорезкоубываетдо I min принапряжении U 2 . Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направленииуменьшаетсячислоэлектронов, способныхсовершить туннельный переход. При напряжении U 2 число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Опорный диод

Характеристики опорных диодов в прямом направлении имеют обычный вид. [17]

Стабилитрон ( опорный диод ) — полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использова-шш явления лавинного пробоя, обеспечивает постоянное напряжение ( напряжение стабилизации) независимо от проходящего через него тока. [18]

Стабилитроны ( опорные диоды ) Ст используются для повышения коэффициентов возврата реле. В отличие от обычных диодов нормальным режимом для стабилитронов является работа при обратном напряжении. [19]

Стабилитроны ( опорные диоды ) предназначены для поддержания неизменного напряжения ( напряжения стабилизации) при больших изменениях тока. [21]

СБ и опорные диоды продолжают находиться при очень низкой температуре. [22]

Максимальный ток опорного диода / ст max определяется величиной допустимой рассеиваемой мощности. [23]

Намечаем применение опорного диода Д810, для которого ист9 — 10 5 в, / ст. макс 26 ма при tc5Q С и гд 12 ом при / ст5 ма. Принимаем для дальнейшего расчета среднее значение t / ст 9 7 в, / ст. макс 20 ма и / ст. мин 4 ма. [24]

Рабочий ток опорного диода на 2 5 В типа LM136 поддерживается неизменным благодаря транзистору, режим которого задается микросхемой LM334, управляемой током опорного диода, который в этом случае не зависит от нагрузки. [25]

В качестве опорного диода стабилизатора напряжения применен селе новый диод типа 7ГЕ1А — С. [26]

Кремниевые стабилитроны ( опорные диоды ) предназначены для работы в схемах стабилизации напряжения и тока, в схемах ограничения импульсов и в качестве источников опорного напряжения. [27]

Читайте также:  Компоненты двигателя постоянного тока

Параллельно прибору включен опорный диод ( или несколько последовательно соединенных диодов) с напряжением стабилизации, немного превышающим максимальное напряжение, измеряемое вольтметром. Последовательно с вольтметром включено сопротивление R для ограничения тока через опорный диод. Ток через опорный диод не должен превышать величины тока, потребляемого вольтметром. Величина сопротивления R должна быть в 100 раз меньше внутреннего сопротивления вольтметра. [29]

Кремниевые стабилитроны ( опорные диоды Д808 — Д 811, Д813) работают в режиме пробоя, при этом напряжение на диоде само поддерживается постоянным с очень высокой точностью. Обратное сопротивление при смещении 1 в равно или больше 10 Мом, а рабочие температуры от — 60 до 4 — 125 С. Мощность, рассеиваемая стабилитроном, не должена превышать 300 жег. Напряжение на стабилитроне изменяется в пределах 0 055 — 0 07 % на 1 С. [30]

Источник



Полупроводниковых диодов

date image2014-01-25
views image2675

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Технология изготовления, конструкция, параметры

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

В качестве материалов для полупроводниковых диодов исполь-зуют германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др. Легирующими добавками служат элементы ΙΙΙ-V группы таблицы Менделеева.

Все полупроводниковые диоды делят на два класса: точечные и плоскостные. В точечном диоде используется пластинка из германия или кремния с электропроводностью n-типа толщиной 0,1- 0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм 2 ; с пластиной соприкасается заостренная стальная проволочка (рис. 1.2.1) На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток, стальную проволочку вплавляют в полупроводник, образуя область с электропроводностью p-типа. Этот процесс называется формовкой диода.

Вольтамперные характеристики точечного диода аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 1.1.3., но из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды используют в основном для выпрямления переменного напряжения.

В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды) В зависимости от назначения плоскостного диода в нем используются те или иные участки характеристики p-n-перехода.

Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух типов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая обусловлена перемещением дырок.

Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких p-n-переходов.

Опорный диод (полупроводниковый стабилитрон) – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока; стабилитроны используются обычно в схемах стабилизации напряжения. Типичная вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 2.1.1.

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации. Ток, соответствующий напряжению устойчивого пробоя, является минимальным током Imin, максимально допустимый обратный ток – максимальный ток стабилизации Imax.

Следовательно, основными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизации Uст, динамическое сопротивление на участке стабилизации ; минимальный ток стабилизации Iст.min; максимальный ток стабилизации Iст.max; температурный коэффициент на участке стабилизации .

Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1 – 1000 В и зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от Iст.min до Iст.max; 1 ÷ 10 мА, 50 ÷ 2000 мА. Значение минимального тока Iст.min ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение максимального тока Iст.max – допустимой температурой полупроводника.

На участке стабилизации , для большинства стабилитронов 0.5 ÷ 200 Ом. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКН, который показывает, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1 ºС. Для большинства стабилитронов ТКН = /-0.05 ÷ +0.2/ %/ ºС. При этом отрицательным ТКН обладают стабилитроны с низким напряжением стабилизации (Uст 6.0 В).

Путем последовательного соединения в процессе изготовления p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить стабилитроны с очень низким ТКН. Так, у прецизионного стабилитрона КС196В ТКН = ±0.0005 %/ºС в диапазоне температур от –60 до +60ºС.

Такие стабилитроны применяют в стабилизаторах напряжения, предназначенных для измерения постоянных напряжений и токов.

Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.

В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.

Источник