Пробой p-n перехода

С ростом обратного напряжения может наступить пробой p—n перехода. При этом ток и проводимость в обратном направлении резко возрастают. Различают три основных вида пробоя, два из которых являются следствием чрезмерно большого электрического поля в переходе, третий связан с тепловыми явлениями. Вольт — амперные характеристики (ВАХ) туннельного — 1, лавинного — 2 и теплового — 3 пробоев представлены на рис.3.

Рис. 3 Обратные ветви ВАХ p-n перехода в области пробоя

Через I_sобозначен обратный ток насыщения. Обратная ветвь здесь изображена в сильно увеличенном масштабе, поэтому в начале координат имеет место ″излом″ характеристики.

Все рассмотренные виды пробоев являются обратимыми, т.е. диод может оставаться работоспособным после пробоя, если средняя мощность, выделяемая в переходе, не превысит максимально допустимую, при которой начинают происходить необратимые изменения в кристаллической структуре полупроводника, характерные для теплового пробоя. Максимальная мощность рассеивания указывается в паспорте полупроводникового прибора.

Стабилитроны. Вах стабилитрона

Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации, то есть поддержания неизменным, уровня постоянного напряжения. На его вольтамперной характеристике имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего тока. Таким является участок электрического пробоя, где ток изменяется в широком диапазоне, не допускающем перехода в необратимый тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то

стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ.

Схема подключения стабилитрона представлена на рис. 4. Резистор R_o подбирается таким, чтобы протекающий через стабилитрон ток I_ст соответствовал среднему (называемому номинальным I_ст.ном) значению тока рабочего режима стабилитрона между I_ст.min и I_ст.max.

Принцип действия стабилитрона:

при уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на R_o тоже уменьшается, но напряжения на стабилитроне и на нагрузке, исходя из вольтамперной характеристики (рис. 5.), остаются постоянными. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и U_Ro увеличиваются, а напряжение на нагрузке так же остаётся неизменным. Стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от значений I_ст.min до значений I_ст.max.

Рис. 4. Схема подключения стабилитрона

Рис. 5. Типичная ВАХ стабилитрона

Описание установки

Лабораторная работа выполняется на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 6, где П₁, П₂ – переключатели, П – потенциометр, A — многопредельный амперметр, V — многопредельный вольтметр.

Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Получить у лаборанта образец графика для построения ВАХ.

2. С разрешения преподавателя включить в сеть источник питания. Ручка потенциометра должна быть при этом установлена на ″0″.

3. Поставить переключатели П1 и П2 в положения ″Диод″ и ″Прямой ток″.

4. Установить предел измерения токового прибора ″0,5″ А.

5. Снять ВАХ диода в прямом направлении. Для этого, установив с помощью потенциометра П одно из допустимых значений тока, считывают показания вольтметра и отмечают на подготовленном для построения графика листе точку пересечения значений одновременно измеренных тока I и напряжения U. Устанавливают другое значение тока, считывают соответствующее ему напряжение и ставят следующую точку. Изменяя ток несколько раз (7-9 раз) и через получившиеся точки проводят плавную линию, которая и будет прямой ветвью ВАХ п.п. диода. Если подобная методика снятия ВАХ вызывает затруднение, можно значения одновременно измеренных тока и напряжения предварительно занести в таблицу,

а затем уже по этим данным, с соблюдением масштаба, построить ВАХ, т.е. зависимость I=f(U).

6. Установить предел токового прибора в положение ″50 мкА″.

7. Установить переключатель П2 в положение ″Обратный ток″.

8. Изменяя напряжение (7-9 раз), снять ВАХ диода в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5).

9. Установить переключатель П1 в положение ″Стабилитрон″.

10. Установить предел токового прибора в положение ″50мА″.

11. Изменяя напряжение, снять ВАХ стабилитрона в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5). 12. Установить переключатель П2 в положение ″Прямой ток″ и, не изменяя предела измерения миллиамперметра, снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона (по аналогии с пунктом 5).

13. Построить на одном графике ВАХ диода и стабилитрона. По графикам определить величину обратного тока диода и величину напряжения стабилизации стабилитрона.

ВНИМАНИЕ! Перед каждым измерением ручка потенциометра должна быть установлена в начальное положение, т.е. на ″0″.

Какой вид имеет вольтамперная характеристика стабилитрона — MOREREMONTA

Напряжение на обратной ветви ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – УГО стабилитрона и его вольтамперная характеристика

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации U_ст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I_{ст min}. I_{ст max}, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизации U_ст незначительно зависит от тока I_ст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.

В общем случае U_ст определяется шириной запирающего слоя p-n-перехода, то есть концентрацией примесей в полупроводнике. В случае большой концентрации примеси

p-n-переход получается тонким, и в нем даже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину, и лавинный пробой наступает раньше. Иногда помимо напряжения стабилизации нормируется разброс величины напряжения стабилизации ΔU_стном, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.

2. минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min}.

При малых обратных токах стабилитрон работает на начальном участке вольтамперной характеристики, где значение обратного напряжения неустойчиво и может колебаться в пределах от 0 до

U_ст. Величина минимально допустимого тока стабилизации I_{ст min} задает минимальный ток, при котором гарантируется ввод p-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизации U_ст.

3. максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max}.

Максимально допустимый ток стабилизации – это максимальный ток, при котором гарантируется надежная работа стабилитрона. Он определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью прибора. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения

I_{ст max} во избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации U_{ст ном} – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока I_{ст ном}.

6. динамическое (дифференциальное) сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:

. (8)

Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона R_ст в данной рабочей точке характеризует омические потери:

. (9)

8. коэффициент качества стабилитрона:

. (10)

Коэффициент качества представляет собой отношение относительного изменения напряжения на стабилитроне к относительному изменению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше Q.

9. температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_Uст показывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации:

,[%/°С]. (11)

В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает из-за уменьшения ширины запрещённой зоны. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН.

Минимальный ТКН имеют кремниевые стабилитроны с напряжением пробоя 5-7 В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.

Путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить прецизионные стабилитроны с ТКН не более 0,0005 %/°C в широком диапазоне температур.

Лабораторно-практическая работа № 2

по предмету «Основы промышленной электроники»

Тема: «Расчёт параметров кремниевого стабилитрона»

— научиться применять знания, полученные при изучении дисциплины;

— приобрести навыки сборки лабораторных схем для изучения режимов работы стабилитронов

с последующим расчетом, анализом и экспериментальным определением параметров электронных элементов;

— изучение принципов работы, определение основных характеристик стабилитронов.

— воспитать у студентов целеустремленность при изучении учебного материала в течение

всего учебного года.

Оборудование: методические и справочные материалы, индивидуальное задание.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторно-практическая работа предназначена для усвоения (закрепления) материала

теоретических занятий, развития практических умений.

Выполнение практической работы включает этапы: изучение исходных данных; выполнение работы;

оформление материалов; защита работы.

1.1. Сбор данных выполняется в следующем порядке: изучается инструкция по выполнению работы;

уясняется цель работы и последовательность действий; уточняются у преподавателя непонятные моменты; выполняются действия согласно пунктам раздела «Порядок выполнения…».

Оформление отчета.

Отчет оформляется индивидуально каждым учащимся в отдельных тетрадях. Отчет по каждой работе

должен включать следующие материалы согласно пунктам раздела «Порядок выполнения…».

Защита работы.

Для защиты выполненной работы учащийся должен: представлять цель и порядок выполнения

работы; изучить теоретический материал по теме; ответить на вопросы к защите и дополнительные

вопросы по данной теме; сдать для проверки выполненные материалы работы.

Защищенная лабораторно-практическая работа подписывается преподавателем с указанием числа

Выполненные в полном объеме лабораторно-практические работы являются допуском к зачету

(экзамену). Учащиеся, не защитившие всех лабораторно-практических работ, к зачету не

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Расчет параметров кремниевого стабилитрона

Общие сведения

При равномерном распределении тока лавинного пробоя по площади р–n-пере хода

полупроводниковый прибор способен пропустить значительный обратный ток без его

повреждения. Это явление используется в диодах малой мощности, получивших название

кремниевых стабилитронов или опорных диодов. Стабилитрон имеет схемное обозначение (рис.

При изготовлении стабилитронов наиболее широко используются сплавной и диффузионный

методы получения р–n-перехода. Исходным материалом при изготовлении стабилитронов служит

пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для

кремния. Кристалл с р–n-переходом помещается обычно в герметизированный металлический

Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении,

соответствующем обратному электрическому пробою р–n-перехода. Лавинный механизм

электрического пробоя р–n-перехода наблюдается как у кремниевых, так и у германиевых диодов.

Однако выделение тепла, сопровождающее эти процессы, приводит для германия к

дополнительной тепловой генерации носителей заряда, искажающей картину лавинного пробоя.

В этой связи в качестве исходного материала для полупроводниковых стабилитронов

используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью.

Вольт -амперная характеристика стабилитрона

Важнейшей характеристикой стабилитрона является его вольт-амперная характеристика (рис. 2.2).

В прямом включении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.

Обратная ветвь характеристики имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Благодаря этому при изменении в широких пределах обратного тока падение напряжения на приборе практически не изменяется. Это свойство кремниевых стабилитронов позволяет использовать их в качестве стабилизаторов.

Поскольку электрический пробой стабилитрона наступает при сравнительно низком обратном напряжении, то мощность, выделяющаяся в р–n-переходе даже при значительных обратных токах, будет небольшой, что предохраняет р–n-переход от необратимого теплового пробоя. Превышение предельно допустимого обратного тока стабилитрона приводит, как и в обычных диодах,

к выходу прибора из строя.

Максимально допустимый ток стабилизации – ток, при котором достигается максимально допустимая мощность рассеивания . Это значение тока показано буквой на рис. 2.2.

Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации

. (2.1)

. (2.2)

Величина характеризует степень постоянства напряжения стабилизации при изменении тока пробоя и определяется из построений, приведенных на рис. 2.3.

Максимальная мощность рассеивания – наибольшая мощность, выделяющаяся в р–n-переходе, при которой не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) – отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды, %/°С,

Величина показывает на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры на 1 °С.

Важнейшие параметры стабилитрона соответствуют рабочей точке вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 2.2). Обычно точка располагается на середине рабочего участка обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона.

В качестве примера в табл. 2.1 приведены основные параметры стабилитрона Д814Д, используемого в цепях стабилизации блоков управления электровозов.

|	следующая лекция ==>
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА	|	СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА И ПОЛУПРОВОДНИКА

Дата добавления: 2016-03-28 ; просмотров: 6189 | Нарушение авторских прав

Рабочим участком является участок электрического пробоя.

U_стаб. – напряжение стабилизации

I_стаб.min – минимальный ток стабилизации

I_стаб.max – максимальный ток стабилизации

Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации.

Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением

Для идеального стабилитрона R_Д=0. U_стаб. =3 ÷ 200 В

Тиристоры

Тиристор – полупроводниковый прибор с несколькими чередующимися слоями n-p проводимости, чаще четырехслойной структуры p-n-p-n. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

Название тиристора — от греческого слова thyra (тира), что означает «дверь» или «вход».

Вольтамперная характеристика тиристора.

У — управляющий электрод

Выше приведено схемное обозначение управляемого тиристора (триодный тиристор, тринистор). На практике при употреблении термина «тиристор» подразумевается именно этот элемент.

При положительной полярности: — участок ОА – тиристор закрыт.

— называется напряжением включения. Как только напряжение достигает значения, оно лавинообразно снижается – участок АВ

Способ управления повышением напряжения до не рекомендуется (тиристор открывается только один раз)

Чем больший ток подан на управляющий электрод, тем «колено ОАВ» меньше.

Если , (I _у4 = I _{упр опт} — управляющий ток отпирания), то ВАХ тиристора совпадет с ВАХ диода.

Когда тиристор вышел на рабочий участок ВС, можно отключить ток управления. Чтобы закрыть тиристор необходимо снизить анодный ток до тока удержания на достаточное время (время удержания). При смене полярности тока тиристор закрывается.

Тиристоры бывают двух видов:

1. Не запираемые – это тиристоры, управляемые при подачи напряжения и тока на управляемый электрод.
2. Запираемые – их исходное состояние – открыт. Чтобы закрыть запираемый тиристор необходимо подать ток обратной полярности относительно большой величины.

Изменяя угол α, можно регулировать среднее напряжение на нагрузке, чем больше α, тем меньше среднее напряжение на нагрузке.

Симметричные тиристоры или симисторы – это два тиристора включенных встречно — параллельно.

Слева дано обозначение неуправляемого тиристора (динистора). Он открывается при приложении между анодом и катодом напряжения больше

Параметры тиристоров

1. Напряжение включения ( ) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (U_обр.max) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U_вкл.= U_обр.max
3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_пр.= 0,5÷1 В)
5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.
6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается
7. Время отключения — это время в течение которого закрывается тиристор.
8. Предельная скорость нарастания анодного тока . Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой .
9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения . Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи.
10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».
11. Управляющее напряжение отпирания — это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».

1.6. Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводниковый стабилитрон – это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Состояние пробоя не ведет к порче стабилитрона, а является его нормальным рабочим состоянием.

Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой.

Стабилитроны общего назначения используются в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения.

Прецизионные стабилитроны используются в качестве источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации.

Импульсные стабилитроны используются для стабилизации постоянного и импульсного напряжений, а также ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности.

Двухдиодные стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напряжения различной полярности, в качестве источников опорного напряжения.

Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода.

1.7. Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

Напряжение на обратной ветви ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя слабо зависит от значения проходящего тока. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – УГО стабилитрона и его вольтамперная характеристика

Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне U_стлишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизацииI_ст. Такая характеристика используется для получения стабильного (опорного) напряжения.

Стабилитроны характеризуются следующими параметрами:

1. напряжение стабилизации U_ст.

Напряжение, которое устанавливается на выводах стабилитрона при протекании через него обратного тока в пределах I_{ст min}…I_{ст max}, называется напряжением стабилизации. Напряжение стабилизацииU_стнезначительно зависит от токаI_ст. Напряжение стабилизации связано с напряжением пробоя, но не равно ему, так как ВАХ имеет определенную крутизну.

В общем случае U_стопределяется шириной запирающего слояp-n-перехода, то есть концентрацией примесей в полупроводнике. В случае большой концентрации примесиp-n-переход получается тонким, и в нем даже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примесиp-n-переход имеет значительную ширину, и лавинный пробой наступает раньше. Иногда помимо напряжения стабилизации нормируется разброс величины напряжения стабилизации ΔU_ст ном, представляющий собой максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов одного типа.

2. минимально допустимый ток стабилизации I_ст min.

При малых обратных токах стабилитрон работает на начальном участке вольтамперной характеристики, где значение обратного напряжения неустойчиво и может колебаться в пределах от 0 до U_ст. Величина минимально допустимого тока стабилизацииI_ст minзадает минимальный ток, при котором гарантируется вводp-n-перехода стабилитрона в режим устойчивого пробоя и, как следствие, стабильное значение напряжения стабилизацииU_ст.

3. максимально допустимый ток стабилизации I_ст max.

Максимально допустимый ток стабилизации – это максимальный ток, при котором гарантируется надежная работа стабилитрона. Он определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью прибора. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимого значения I_ст maxво избежание теплового пробоя полупроводниковой структуры и выхода стабилитрона из строя.

4. номинальный ток стабилизации:

. (7)

5. номинальное напряжение стабилизации U_ст ном– падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении токаI_ст ном.

6. динамическое (дифференциальное) сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока:

. (8)

Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация напряжения.

7. статическое сопротивление стабилитрона R_ств данной рабочей точке характеризует омические потери:

. (9)

8. коэффициент качества стабилитрона:

. (10)

Коэффициент качества представляет собой отношение относительного изменения напряжения на стабилитроне к относительному изменению тока. Качество стабилитрона тем выше, чем меньше Q.

9. температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации α_Uстпоказывает, на сколько процентов изменится относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1°C и постоянном токе стабилизации:

,[%/°С]. (11)

В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает из-за уменьшения ширины запрещённой зоны. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН.

Минимальный ТКН имеют кремниевые стабилитроны с напряжением пробоя 5-7 В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.

Путем последовательного соединения двух или более p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить прецизионные стабилитроны с ТКН не более 0,0005 %/°C в широком диапазоне температур.

принцип действия, параметры, разновидности. Использование стабилитронов (параметрический стабилизатор напряжения).

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в электрических цепях.

Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя р–n перехода при подаче на диод обратного напряжения. В связи с этим на ВАХ имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. При относительно малой концентрации примесей в базе диода наблюдается в его электрическом переходе лавинный механизм пробоя, а при высокой концентрации примесей возникает туннельный пробой.

Точка А соответствует устойчивому пробою и определяет величину минимального тока I_min. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его I_max ограничивается лишь мощностью рассеяния. Uст – напряжение стабилизации.

Параметры. 1. Номинальное напряжение стабилизации Uст норм – падение напряжения на стабилитроне в области стабилизации при нормальном значении тока Iст норм (единицы-десятки В). 2. Минимальный ток стабилизации Iст норм – минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон при устойчивом пробое перехода (доли мА-десятки мА). 3. Максимальный ток стабилизации Iст макс – максимально допустимый ток стабилизации, ограничиваемый допустимой мощностью рассеивания (единицы мА- единицы А). 4. Номинальный ток стабилизации . 5. Дифференциальное сопротивление – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока (единицы-десятки Ом). Чем вышеRдиф ,тем лучше стабилизация напряжения. 6. Статическое сопротивление стабилитрона в данной рабочей точке, характеризует омические потери в заданной рабочей точке . 7. Коэффициент качества стабилитрона— определяет наклон ВАХ. Температурный коэф. напряжения (ТКН) стабилизации. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации:

Промышленностью выпускаются след. разновидности стабилитронов: общего назначения (исп. в схемах стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения), прецизионные (в кач. источников опорного напряжения с высокой степенью стабилизации и термокомпенсации), импульсные (для стабилизации постоянного и импульсного напряжения, ограничения амплитуды импульсов напряжения малой длительности), двухдиодные (работают в схемах стабилитзации, ограничителях напряжения различной полярности, в кач. источников опорного напряжения), стабисторы (для стабилизации малых значений напряжения, причем рабочим является прямое смещение диода).

22. Варикапы: принцип действия, параметры. Использование варикапов.

Варикапы – это специальные п/п диоды, которые исп. в кач. электрически управляемой емкости. Они находят применение в схемах автоматической подстройки частоты радиоприемников, в схемах частотных модуляторов, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты, в управляемых фазовращателях. Принцип действия основан на зависимости емкости p-n-перехода от внешнего напряжения. Диффузионная емкость не нашла практического применения из-за сильной зависимости ее от температуры и частоты, высокого уровня собственных шумов и низкой добротности. Практическое применение получила барьерная емкость p–n перехода, величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения.

Эквивалентная схема варикапа.

Варикапы в основном используются на высоких и сверхвысоких частотах, поэтому важную роль играет сопротивление потерь rб. Для его уменьшения необходимо выбирать материал с малым удельным сопротивлением. Используются кремний, германий, арсенид-галлия n-типа.

Зависимость добротности варикапа от частоты:

Параметры варикапов:

1. Максимальная емкость Св макс – емкость варикапа при заданном минимальном Uобр и ограничена значением емкости Со. 2. Минимальная емкость Св мин – емкость варикапа при заданном максимальном Uобр и ограничивается обратным допустимым напряжением p-n=перехода Uобр доп. 3. Коэф. перекрытия по емкости . 4. Сопротивление потерьRп – суммарное активное сопротивление, вклбчая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов. 5. Температурный коэф. емкости – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению t окр. среды . 6. Номинальная емкость Св ном – представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальномUобр. 7. Добротность варикапа Qв – отношение реактивного сопртичления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Электровакуумный диод представляет собой прибор, работающий за счет контроля интенсивности нагрева положительного и отрицательного полюсов устройства. Вход устройства при подаче электрического тока нагревается, после чего появляется эффект выхода электронов из металла. Если подавать электрический ток с отрицательным напряжением, осуществляется процесс обратный термоэлектронной эмиссии. За счет этого идет выпрямление мощности, которая подается на радиодеталь.

Вах полупроводникового прибора

Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Данная характеристика состоит из классических трех ступеней:

1. Нелинейная часть. Вольт амперная характеристика диода в месте подачи тока возрастает небольшими темпами. Это объясняется эффектом противодействия полю анода отрицательного напряжения свободных электронов. На данном участке ток анода крайне низок. Влияние напряжения на силу экспоненциально.
2. Вторая часть кривой описывается законом степени 3/2. Влияние электричества на аноде от подаваемого напряжения в данном случае записывается формулой трех вторых, в которой напряжение на аноде умножается на константу, характеристики габаритов электрода.
3. Напряжение насыщения. Если напряжение на аноде продолжает увеличиваться соразмерно предыдущим показателям, скорость увеличения выходного тока снижается. Повысить мощность на выходе невозможно из-за отсутствия свободных электронов.

Как работает диод

Диод – полупроводниковое устройство, которое обладает односторонней проводимостью. Эта характеристика появляется из-за особенностей pn перехода и сопротивления на его концах. Односторонняя проводимость обозначает, что радиодеталь пропустит электрический ток только в том случае, если на аноде (входе) будет больший потенциал. Если мощность выше на катоде, появляется обратный ток. Однако из-за высокой степени сопротивления величины такого электрического тока критически малы. Таким образом строится вольт амперная характеристика полупроводникового устройства.

Принцип функционирования диода вакуумного типа

При подаче электричества на выход электровакуумного диода электроны покидают поверхность из-за эффекта термоэлектронной эмиссии. При этом с накоплением свободных заряженных частиц в атмосфере появляется область, которая характеризуется негативным потенциалом. Характерной особенностью вакуумного прибора является то, что в это время поверхности анода начнут положительно заряжаться. Из-за этого последующим заряженным частицам потребуется более высокий уровень заряда для отрыва. В результате переходных процессов вокруг катода формируется облако заряженных частиц.

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

• Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
• Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
• Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

• В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
• Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
• В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

• БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
• В диодном мосту;
• В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
• В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

• Частота тока;
• Значения входного тока в амперах;
• Параметр входного напряжения в вольтах;
• Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

• Первый символ – Д – диод;
• Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
• Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

13. Теоретическая вольт-амперная характеристика p-n- перехода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольтамперной характеристики. Тепловой ток p-n-перехода зависит от концентрации примеси и температуры. Увеличение температуры p-n-перехода приводит к увеличению теплового тока, а, следовательно, к возрастанию прямого и обратного токов.Увеличение концентрации легирующей примеси приводит к умень-шению теплового то-ка, а, следовательно, к уменьшению прямого и обратного токов p-n-перехода.

14. Пробой p—n –перехода – называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. Сопровождающееся

Резким увеличением обратного тока, при незначительно уменьшающемся и даже убывающем обратном напряжении:

Три вида пробоя:

1.Тунельный (электрический) – явление прохождение электронов через потенциальный барьер;

2. Лавинный (электрический) – возникает, если, при движении до очередного соударения с атомом дырка(электрон) приобретает энергию достаточную для ионизации атома;

3. Тепловой пробой (необратим) – возникает при разогреве полупроводника и соответствующем увеличением удельной проводимости.

15. Выпрямительный диод: назначение ,вах, основные параметры, уго

Выпрямительные диоды служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления и используется в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.

Германиевые выпрямительные диоды

Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия в исходную полупроводниковую пластину германия n-типа. В свою очередь исходная пластина припаивается к стальному кристаллодержателю для маломощных выпрямительных диодов или к медному основанию для мощных выпрямительных диодов.

Рис 24 конструкция маломощного сплавного диода. 1- кристаллодержатель; 2 – кристалл; 3 – внутр. вывод; 4 – коваровый корпус; 5 – изолятор; 6 – коваровая трубка; 7 – внешний вывод

Рис 25 ВАХ германиевого диода

Из рис 25 видно, что с ростом температуры в значительной степени увеличивается обратный ток диода, а величина пробивного напряжения уменьшается.

Германиевые диоды различного назначения имеют величину выпрямленного тока от 0,3 до 1000А. Прямое падение напряжения не превышает 0,5В, а допустимое обратное напряжение 400В. Недостатком германиевых диодов является их необратимый пробой даже при кратковременных импульсных перегрузках

Кремниевые выпрямительные диоды

Для получения p-n перехода в кремниевых выпрямительных диодах осуществляют вплавление алюминия в кристалл кремния n-типа, или сплава золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов используют также диффузионные методы. Конструкции ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкций аналогичных германиевых диодов.

Рис 27 ВАХ кремниевого диода

Прямая ветвь слабо изменяется в довольно значительном интервале температур (с ростом температур она будет несколько круче), а падение напряжения в прямом направлении уменьшится.

В качестве выпрямительных диодов используются и диоды Шотки. Важная особенность этих диодов — меньшее прямое падение напряжения – 0,2В. Применение таких диодов уменьшает потери на 10-15%

Основные параметры выпрямительных диодов

1. постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока через диод

2. постоянный прямой ток

3. величина обратного тока при заданном значении обратного напряжения

4. максимальное обратное напряжение

5. рабочий диапазон температур

6. максимальная частота, на которой еще не происходит ухудшение основных параметров

7. тепловое сопротивление переход-корпус, переход-среда

8. максимальная емкость диода

9. внутреннее или диф-ное сопротивление диода в рабочей точке

10. сопротивление постоянного тока

коэффициент выпрямления