Полупроводниковые диоды

     Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные диоды (до сотен  Мгц), и подразделяются на универсальные и импульсные. Универсальные в.ч. диоды применяются для получения высокочастотных колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по амплитуде в.ч. колебаний - колебаний с частотой модуляции (детектирование), для преобразования частоты. Импульсные диоды применяются как переключающий  элемент в импульсных схемах.

При работе ПД на высокой частоте большую  роль играет емкость перехода, обусловливающая инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления

     Кроме того, эффективность выпрямления  снижается за счет того, что часть  подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы . Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы. Требования уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим уменьшения площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае, если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя. Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое - в закрытом, и мгновенно переходить из одного состояния в другое. В реальном случае при переключении в.ч. диода из закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течении некоторого времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению формы переключаемых импульсов.

При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник  вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au, Cu, Ni ), что  снижает время жизни неравновесных  носителей заряда. Толщина n- области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время жизни неравновесных носителей и сопротивление базы. Конструктивно в.ч. диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень малой площадью перехода. 

     2.2 Туннельные диоды.

     Туннельные  диоды выполняются из полупроводников  с большим количеством примесей (вырожденные полупроводники). Вольтамперная  характеристика p-n перехода, выполненного на основе вырожденных полупроводников, имеет область с отрицательным сопротивлением, на котором при увеличении напряжения протекающий ток уменьшается. Элемент, обладающий отрицательным сопротивлением, не потребляет электрическую энергию, а отдает ее в цепь, т.е. является активным элементом цепи. Наличие падающего участка вольтмаперной характеристики позволяет применять туннельные диоды в качестве генераторов и усилителей электрических колебаний широкого диапазона частот, включая СВЧ, и в качестве высокоскоростных переключателей.

Туннельные  диоды выполняются из вырожденных  полупроводников, главным образом из германия, кремния и арсенида галлия. Т.к. для туннельного перехода носителей сквозь потенциальный барьер p-n переход должен быть узким и резким, то p-n переходы туннельного диода изготавливают методом вплавления. Кроме того, применяется метод эпитаксильного наращивания вырожденных слоев, который также позволяет получить резкие переходы. Для уменьшения емкости (а, следовательно, для повышения верхней граничной частоты, на которой туннельный диод может работать как активный элемент с отрицательным сопротивлением) применяется метод получения p-n переходов малой площади.

     Основным  параметром, характеризующим вольтамперную  характеристику туннельного диода, является отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризующее наклон падающего участка :

 

     Т. к. туннельное прохождениеэлектронов сквозь потенциальный барьер перехода не связано с медленным процессом диффузии, то скорость передачи туннельного тока очень велика (порядка  сек для сильно легированного германия) и в туннельных диодах отсутствует инерционность за счет малой подвижности носителей. Поэтому частотные свойства туннельных диодов определяются не скоростью передачи тока, а только факторами, зависящими от конструкции: емкостью p-n перехода С, сопротивлением потерь , обусловленным объемным сопротивлением полупроводника и выводов, и суммарной индуктивностью диода . Частотные свойства туннельного диода характеризуются максимальной частотой

     На  частотах выше  туннельный диод уже нельзя использовать в качестве отрицательного сопротивления, т.е. генерирование и усиление электрических колебаний на этих частотах невозможно. Кроме того, качество туннельного диода на высоких частотах оценивается отношением , которое иногда называется фактором добротности.

     При работе туннельного диода в переключающих  схемах его быстродействие характеризуется величиной времени переключения , зависящим и от свойств диода и от параметров схемы.

     2.3 Стабилитроны

     Обратная  ветвь в/а характеристики, показанной на рис.2.1а, т.е. явление пробоя p-n перехода, можно использовать для целей стабилизации напряжения, пользуясь тем обстоятельством, что до тех пор пока пробой носит электрический характер характеристика пробоя полностью обратима. Полупроводниковые диоды, служащие для стабилизации напряжения, называются стабилитронами.

     Как видно из характеристики, в области  пробоя незначительные изменения обратного  напряжения приводят к резким изменениям величины обратного тока. Предположим, что диод, имеющий такую характеристику, включен в простейшую схему, показанную на рис.2.1б, причем рабочая точка находится в той области в/а характеристики, где при изменении тока напряжение практически остается постоянным.

     В этом случае, если изменяется входное  напряжение U, то изменяется ток в  цепи, но т.к. напряжение на диоде при  изменении тока остается постоянным (изменяется сопротивление диода), то и напряжение в точках а,б - постоянно. Если параллельно к диоду к точкам а,б подключить сопротивление нагрузки, то напряжение на нагрузке тоже не изменится.

     

 

Рис. 2.1 а ВАХ стабилитрона, б принципиальная схема стабилитрона напряжения 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Стабилитроны  изготовляются из кремния. Это связано с тем, что в стабилитронах может быть использована только электрическая форма пробоя, которая является обратимой. Если пробой перейдет в необратимую тепловую форму, то прибор выйдет из строя. Поэтому величина обратного тока  в стабилитронах ограничена допустимой мощностью рассеивания.

     Т.к. ширина запрещенной зоны кремния больше, чем у германия, то для него электрическая форма пробоя перейдет в тепловую при больших значениях обратного тока - отсюда целесообразность выполнения стабилитронов из кремния. Степень легирования кремния, т.е. величина его удельного сопротивления , зависит от величины стабилизируемого напряжения, на которое изготовляется диод. Стабилитроны для стабилизации низких напряжений изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением; чем выше стабилизируемое напряжение, тем из более высокоомного материала выполняется диод. Изменение стабилизируемого напряжения от нескольких вольт до десятков вольт может быть достигнуто изменением удельного сопротивления кремния.

     Основным  параметром стабилитронов является напряжение стабилизации и температурный коэффициент напряжения ТКН, характеризующий изменение напряжения на стабилитроне  при изменении температуры на , при постоянном токе.

     ТКН может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от влияния температуры на напряжение пробоя . Для низковольтных стабилитронов, которые выполняются из низкоомных полупроводников, пробой имеет туннельный характер, а т.к. вероятность туннельного перехода электронов возрастает с увеличением температуры, т.е.  падает, то низковольтные стабилитроны имеют отрицательный ТКН. В p-n переходах высоковольтных стабилитронов, которые выполняются из высокоомных полупроводников, происходит пробой за счет ударной ионизации и U пробоя растет с повышением температуры, т.к. тепловые колебания решетки уменьшают длину свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы они приобрели кинетическую энергию, нужную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля перехода.

Для высокоомных  стабилитронов ТКН - положителен.

     где U- напряжение на диоде, T- температура.

     2.4 Варикапы.

     Действие  варикапов основано на использовании  емкостных свойств р-п перехода.

     Обычно  используется зависимость величины барьерной емкости от напряжения в области обратных напряжений. В общем виде зависимость величины зарядной емкости от напряжения имеет вид;

     где А - постоянная, - высота потенциального барьера, U - внешнее напряжение,

- для резких переходов,

- для плавных переходов.

     Варикапы  могут быть использованы для различных  целей как  конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется варикап, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического напряжения подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью варикапа и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.

     Очевидно, что в качестве управляемой емкости может работать любой полупроводниковый диод, при условии, что величина его зарядной емкости достаточно велика. К специальным параметрическим диодам, работающим в параметрических усилителях на высоких и сверхвысоких частотах, предъявляются повышенные требования : они должны обладать сильной зависимостью емкости от напряжения и малым значением сопротивлением базы  для повышения максимальной рабочей частоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. НАХОЖДЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОГО  ОБРАТНОГО  НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ПРОБОЯ  

Таблица 1

Данные для  решения задачи

 
 

Нахождение  тока номинального среднего: 

    (3.1) 

Согласно  уравнению (3.1) 

 

Нахождение  обратного напряжения: 

=3.14                                                                                                         (3.2) 

Согласно  уравнению (3.2) 

=3.14 · 100 = 314 В 
 
 

Нахождение  максимального обратного напряжения: 

= 3                                                                                                  (3.3)                                               

Согласно  уравнению (3.3) 

= 314 · 1.3 = 408.2 В