ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 15652
Скачиваний: 29
111
В
настоящее
время
более
перспективными
диодами
для
об
-
ласти
СВЧ
являются
диоды
Шоттки
,
которые
имеют
высокое
бы
-
стродействие
,
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
об
-
ласти
пробоя
,
даже
при
большом
токе
,
нагрев
диода
не
носит
ла
-
винообразного
характера
,
т
.
к
.
в
этом
случае
дифференциальное
сопротивление
диода
резко
уменьшается
и
рассеиваемая
мощ
-
ность
не
превышает
допустимого
значения
.
Из
рисунка
3.5
видно
,
что
статическая
вольт
-
амперная
характеристика
стабилитрона
близка
к
симметричной
и
отличается
только
величиной
напряже
-
ния
стабилизации
СТ
U
.
При
токах
Д
I >5
мА
дифференциальные
сопротивления
так
-
же
равны
.
ДИФ
Б
r
r
≈ .
Поэтому
при
анализе
работы
стабилитрона
как
элемента
стабилизатора
не
будем
делать
различий
,
для
какого
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
έ
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
,
а
в
ΔЕ
ΔU
Д
113
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)
114
где
Н Б
ЭКВ
Н
Б
R r
R
R
r
=
+
.
Для
ослабления
нестабильности
СТ
U
Δ
при
изменениях
на
-
пряжения
первичного
источника
питания
необходимо
выполнить
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
115
прямой
ветви
характеристики
.
Рассмотрим
происхождение
такой
формы
характеристики
,
воспользовавшись
энергетическими
диаграммами
р
-n
перехода
.
Отличительными
особенностями
туннельного
диода
являются
очень
малые
удельные
сопротивления
р
-
и
n-
слоев
и
соответст
-
венно
очень
малая
ширина
перехода
.
В
этом
случае
,
как
отмеча
-
лось
в
гл
. 1,
полупроводник
вырождается
,
превращаясь
в
полуме
-
талл
.
Уровни
примесных
атомов
сливаются
в
зоны
,
а
последние
в
свою
очередь
сливаются
с
соответствующими
основными
зонами
слоев
.
В
результате
уровни
Ферми
,
как
и
в
металле
,
располагают
-
ся
не
в
запрещенных
зонах
р
-
и
n-
слоев
,
а
в
разрешенных
зонах
:
в
валентной
зоне
р
-
слоя
и
в
зоне
проводимости
n-
слоя
.
При
этом
энергетическая
диаграмма
симметричного перехода
в
равновес
-
ном
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
расстоя
-
ниями
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
,
не
-
велико
,
то
поток
электронов
из
р
-
слоя
в
n-
слой
увеличится
,
а
об
-
ратный
поток
останется
почти
неизменным
.
Следовательно
,
ре
-