ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8866
Скачиваний: 20
111
В настоящее время более перспективными диодами для об-
ласти СВЧ являются диоды Шоттки, которые имеют высокое
быстродействие, работают при больших прямых токах и больших
прямых напряжениях.
3.2
Полупроводниковые
стабилитроны
Одним из основных условий нормального функционирова-
ния любой электронной системы особенно с применением инте-
гральных микросхем является высокая стабильность питающих
напряжений.
Основным элементом практически любого стабилизатора
напряжения является стабилитрон — кремниевый плоскостной
диод, работающий в области восстановимого пробоя.
Такой «полупроводниковый стабилитрон» по большинству
параметров превосходит газоразрядный, и, главное, он может
иметь значительно меньшие рабочие напряжения стабилизации,
что совершенно необходимо в транзисторных схемах, особенно
в интегральных схемах, которые практически всегда низковольт-
ные. Выбор кремния в качестве материала для полупроводнико-
вых стабилитронов обусловлен главным образом малым обрат-
ным током, следовательно, невысокой мощностью рассеивания
в предпробойной области. При этом саморазогрев диода в пред-
пробойной области отсутствует, и переход в область пробоя по-
лучается достаточно резким (рис. 3.5). Кроме того, в самой обла-
сти пробоя, даже при большом токе, нагрев диода не носит лави-
нообразного характера, т. к. в этом случае дифференциальное со-
противление диода резко уменьшается и рассеиваемая мощность
не превышает допустимого значения. Из рисунка 3.5 видно, что
статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона близка
к симметричной и отличается только величиной напряжения ста-
билизации
СТ
U
.
При токах
Д
I
>5 мА дифференциальные сопротивления
также равны
ДИФ
Б
r
r
≈
. Поэтому при анализе работы стабилитро-
на как элемента стабилизатора не будем делать различий, для ка-
кого включения проводится анализ.
112
I
Д
I
Д
U
R
U
Д
U
R
Н
Е
1
Е
2
U
Д
Рис. 3.5 — Статическая характеристика
полупроводникового стабилитрона
На рис. 3.6 приведен температурный коэффициент неста-
бильности стабилитрона в режиме стабилизации при обратном
включении. Для прямого включения эта зависимость рассмотрена
раньше.
U
СТ
40
10
0,06
0,02
%
/
град
α
СТ
,
0,1
-0,04
Рис. 3.6 — Зависимость ТКН на рабочем
участке кремниевого стабилитрона
от напряжения пробоя
У низковольтных стабилитронов пробой носит туннельный
эффект, т. к. база выполнена из низкоомного полупроводника,
Δ
Е
ΔU
Д
113
а в этом случае напряжение пробоя прямо пропорционально ширине
запрещенной зоны, которое с повышением температуры падает.
В высоковольтных стабилитронах пробой носит лавинный
характер, а с повышением температуры подвижность носителей
падает и растет напряжение пробоя.
VD
U
СТ
R
Н
r
E
I
2
I
1
r
СТ
U
R
Н
r
E
а
б
Рис. 3.7 — Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы
стабилизатора напряжения. Здесь
СТ
U
— напряжение стабилизации,
Е — идеальный генератор напряжения,
СТ
б
r
r
=
— дифференциальное
сопротивление стабилитрона
Анализируя эквивалентную схему рис. 3.7, б, уравнения
контурных токов запишем в виде:
(
)
1
2
;
СТ
СТ
Е U
I r
r
I r
− =
+
+
(3.1)
(
)
1
2
.
СТ
СТ
Н
U
I r
I
r
R
− =
+
+
(3.2)
Решив систему уравнений (3.1) и (3.2), получим:
(
)
(
)
2
.
Н
Н
б
СТ
Н
R
Н
б
б
R
Er
Ur
U
I R
U
R
r
r
rr
+
=
=
=
+
+
(3.3)
Для нахождения нестабильности U
CT
при изменении напря-
жения первичного источника питания Е продифференцируем (3.3)
(
)
СТ
Н б
Н
б
б
dU
R r
dE
R
r
r
rr
=
+
+
. (3.4)
Перейдя к конечным приращениям (3.4), запишем в виде:
ЭКВ
СТ
ЭКВ
R
U
E
r
R
Δ
= Δ
+
, (3.5)
где
Н Б
ЭКВ
Н
Б
R r
R
R
r
=
+
.
114
Для ослабления нестабильности
СТ
U
Δ
при изменениях
напряжения первичного источника питания необходимо выпол-
нить условие:
ЭКВ
r
R
>>
.
(3.6)
Неравенство (3.6) говорит о том, что питание выходной це-
пи необходимо обеспечивать от генератора тока.
При работе радиоэлектронного устройства ток нагрузки из-
меняется, т. е.
Н
R
const
≠
, а следовательно, изменяется и U
CT.
.
Проанализируем нестабильность U
СТ
при изменениях величины
нагрузки, при этом считаем
СТ
Б
r
r
const
=
=
.
Продифференцируем (3.3) по R
Н
. Тогда:
(
)
2
2
Н Б
Н
Б
R r
U
E
r R
r
Δ
Δ =
+
. (3.7)
Для уменьшения влияния изменений нагрузки необходимо
выполнить условие
Н
Б
R
r
>> ; (3.8)
2
Б
СТ
Н
Н
r
U
E
R r
Δ
= δ
, (3.9)
где
Н
Н
Н
R
R
Δ
δ =
— относительная нестабильность нагрузки.
Анализ выражений (3.8) и (3.9) показывает, что для умень-
шения влияния нагрузи необходимо, чтобы ток нагрузки был как
можно меньше тока, протекающего через стабилитрон.
3.3
Туннельные
диоды
Туннельные диоды, разработанные в 1958—1959 гг. япон-
ским физиком Есаки, интересны тем, что, будучи двухполюсни-
ками, они могут усиливать сигналы. Это объясняется наличием
участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной
характеристике. В отличие от точечных диодов отрицательное
сопротивление у туннельных диодов имеется не на обратной,
а на прямой ветви характеристики.
Рассмотрим происхождение такой формы характеристики,
воспользовавшись энергетическими диаграммами р-n перехода.
115
Отличительными особенностями туннельного диода являются
очень малые удельные сопротивления р- и n-слоев и соответ-
ственно очень малая ширина перехода. В этом случае, как отме-
чалось в гл. 1, полупроводник вырождается, превращаясь в полу-
металл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а послед-
ние в свою очередь сливаются с соответствующими основными
зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле, рас-
полагаются не в запрещенных зонах р- и n-слоев, а в разрешен-
ных зонах: в валентной зоне р-слоя и в зоне проводимости n-слоя.
При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода
в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на
рис. 3.9, а. Как видим, нижняя часть зоны проводимости в слое n
и верхняя часть валентной зоны в слое р оказались разделенными
весьма узким запорным слоем. Если ширина его не превышает
0,01—0,02 мк, то носители имеют возможность переходить
в смежный слой «по горизонтали», т. е. не преодолевая потенци-
ального барьера. Это явление обусловлено туннельным эффек-
том, откуда и происходит название диодов. Ниже мы рассмотрим
работу диода, анализируя движение электронов. Поведение ды-
рок совершенно аналогично, а относительная роль обоих типов
носителей, как обычно, зависит от степени симметрии диода, т. е.
от соотношения удельных сопротивлений слоев. Распределение
электронов по энергиям отражено на рис. 3.9 разными расстояни-
ями между кружками, обозначающими электроны. Стрелками
снабжены те электроны, которые способны перейти в смежный
слой тем или иным путем. Результирующий ток через переход
оценивается на рис. 3.9 как разность электронных потоков, про-
ходящих из одного слоя в другой. В равновесном состоянии по-
токи электронов в обоих направлениях уравновешиваются, и ток
отсутствует (рис. 3.9, а). Приложим к диоду внешнее напряжение
обратной полярности (т. е. плюсом к n-слою). Энергетическая
диаграмма для этого случая показана на рис. 3.9, б. Так как коли-
чество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми,
невелико, то поток электронов из р-слоя в n-слой увеличится,
а обратный поток останется почти неизменным. Следовательно,
результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя
к р-слою. Этот ток очень быстро возрастает с увеличением об-
ратного напряжения (см. рис. 3.8), поскольку плотность электро-