Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 10

В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенци- и„. (а )сз аг = — г-1 (7 а р цобр ,в а(7 Гхмф Рнс. 1.1б. Схема длн снятия вольт-амперной характеристики диода альный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из О, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение (7ев составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается.

Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых. Рис. !.!7. Реальные вольт-амперные характеристики германиевого (Ссе) и кремниевого (аа) диодов при разной температуре Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-и перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другимн факторами.

Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот„ зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от (l,аг. При данной температуре 7,аг только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего прн прямом напряжении. У кремниевых диодов величина 7„г определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше.

Поэтому с увеличением (г',аг у них равномерно растет 7.а„, начиная с нуля. С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается. Основными параметрами выпрямнтельных диодов являются: прямое напряжение (7'„р — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе; обратный ток 7аар — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении; сопротивление диода в прямом направлении оно составляет единицы и десятки ом; сопротивление диода в обратном направлении оно составляет единицы мегаом; дифференциальное сопротивление диода г,„ф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление — это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длительной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях: максимально' допустимое обратное напряжение (7',ан„,„„которое определяется с запасом как 0,7 — 0,8 (l„о, максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом,— Рмакс, максимально допустимый постоянный прямой ток 7„к„,ы„ диапазон рабочей температуры.

Германиевые диоды работают в диапазоне температур от — 60 до плюс 70 †80 'С, кремниевые — до плюс 120 †160 'С; допустимая плотность прямого тока для германневых диодов 20 — 40 А/смв, для кремниевых 60 — 80 А/см', для германневых диодов допустимы обратные напряжения до 500 — 600 В, для кремниевых — до 2000 — 3500 В; падение напряжения на германиевом диоде при прохождении прямого тока составляет 0,3— 0,6 В, а на кремниевом — 0,8 — 1,2 В. Сравнивая свойства германиевых и кремниевых диодов, можно отметить, что кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя падение напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

!.З.З. Стабилитроны Сгабилигроном называют полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от проходящего тока. Стабилнтроны предназначены для стабилизации напряжения. оо обр Рис. !.!3. Условное графическое обовнвчение (о), вольт-вмиернвн хьрвктсристикв (б) и схема включе- нии (в) кремниевого ствбнлитронв Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства р-и перехода при электрическом пробое сохранять практически постоянную величину напряженна в определенном диапазоне изменения обратного тока.

Как было сказано при рассмотрении видов пробоя р-и перехода, электрический пробой является обратимым процессом и не приводит к выходу диода из строя при условии, что ток не превышает максимально допустимой величины. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона, его условное обозначение и схема включения приведены на рис. !.18. В стабилитроне используется только обратная ветвь характеристики.

Рабочим участком АБ является ее часть, соот- ветствующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитронах применяется один из видов электрического пробоя: лавинный или туннельный. Параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации (/„— напряжение на стабилитроне прн заданном токе стабилизации 1„; оно практически равно напряжению пробоя; минимальный ток стабилизации 1„„„— наименьший ток, прн котором сохраняется устойчивое состояние пробоя; поскольку необходимо получение малого значения 1 ...

стабилитроны изготовляют из кремния; максимальный гок стабилизации 1„,„, — наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения Р„,„,; Р„,„, „ 1аа а с И„ превышение 1„„„, приводит к тепловому пробою р-п перехода и выходу из строя стабилитрона; дифференциальное сопротивление г,„о — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока: ли„ Гааф = — "', б(„ г,„ь определяется в рабочей точке Р и характеризует точность стабилизации; чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация; статическое сопротивление й „ — сопротивление стабилитрона в рабочей точке при постоянном токе: У„ )тстат— температурный «оэффициент напряжения а„показывает изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на ! 'С.

Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилнтроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3 — 200 В, минимальный ток от ! до 1О мА, максимальный ток от 2 мА до 2 А, дифференциальное сопротивление 0,5 — 500 Ом. В стабилитронах с большим напряжением стабилизации используется лавинный пробой, а в стабилитронах с малым напряжением стабилизации — туннельный. Схема включения стабилитрона для стабилизации напряжения на нагрузке 1(„ приведена на рис. 1.!8,в.

Последовательно лз со стабилитроном в цепь источника постоянного тока включено балластное сопротивление 1(о для ограничения тока, а параллельно стабнлитрону — нагрузка. Полярность источника питания Е соответствует обратному напряжению на стабилитроне. При увеличении напряжения питания Е прн постоянном И„ увеличивается ток в цепи, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке 0„= ()„остается неизменным, а избыток напряжения питания гасится на балластном сопротивлении Иа. В случае изменения сопротивления нагрузки Я„ при постоянной величине Е ток через 1(а остается неизменным, но происходит перераспределение токов между стабилнтроном и нагрузкой, а напряжение на стабилитроне и нагрузке все равно остается неизменным. Кремниевые стабилитроны используют не только для стабилизации напряжения, но и в качестве источников опорного напряжения„ с которым сравнивается напряжение на нагрузке.

Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения с использованием в качестве рабочего участка отрезка прямой ветви вольт-амперной характеристики, на котором прямое напряжение слабо зависит от тока. Такой полупроводниковый диод носит название стабистора. 1.3.4. Импульсные дмоды Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, который имеет очень малую длительность переходных процессов при переключении с прямого напряжения на обратное (и наоборот) и предназначен для работы в импульсных схемах в качестве электронного ключа. Принцип действия импульсного диода поясняют схема его включения и временнйе диаграммы напряжения и тока в момент переключения из открытого состояния в закрытое (рис. !.!9).

Диод включается последовательно с нагрузкой в цепь источника импульсного напряжения (рис. !.!9,а). Положительный импульс, являясь для диода прямым напряжением, снижает его сопротивление до величины р(„р, и в цепи через нагрузку протекает ток. Это равносильно замыканию ключа. При перемене полярности импульса на отрицательную диод находится под обратным напряжением. Его сопротивление резко возрастает до величины И.е„ цепь размыкается, и ток через нагрузку практически не протекает. Поскольку длительность импульсов очень мала, переход диода из открытого состояния в закрытое и обратно должен происходить мгновенно. Но этому препятствует инерционность процессов накопления н рассасывания инжектированных в базу л-типа неосновных для нее носителей заряда — дырок.

Например, на диоде действует прямое напряжение; сопро- тивление его р(„р мало. Из р-области через р-л переход инжектируются в и-область дырки; в результате этого их концентрация в и-области у границы возрастает. В момент переключения напряжения на обратное это скопление дырок под действием электрического поля, созданного обратным напряжением, начнет перебрасываться обратно в р-область; за счет этого возникает импульсный скачок обратного тока (рис. !9,б). Постепенно концентрация дырок в и-области будет убывать частично за счет нн пр н обр 'пр Рис. 1.19. Схема нключенин (а) и временные диаграммы при переключении импульсного диода с прнмого на обратное напрнжение (б) 'обр аос.обр нх перехода в р-область, а частично за счет рекомбинации в и- области с электронами; в результате этого обратный ток станет уменьшаться до заданного нормального значения.

Быстродействие этого процесса характеризуется параметром, который называют временем обратного восстановления диода („,лар. Это время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента, когда обратный ток, уменьшаясь от максимального импульсного значения, достигнет заданной величины. При переключении обратного напряжения на прямое переходный процесс также происходит не мгновенно, а требует некоторого времени.

В момент переключения сопротивления диода )т „еще велико, следовательно, велико и напряжение на диоде, а ток диффузии мал. Постепенно диффузия нарастает, инжектированные в и-область дырки накапливаются в ней, сопротивление диода уменьшается до установившегося значения )г„„а ток увеличивается до заданного прямого тока. Время, в течение которого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от нуля до заданного установившегося значения, называют временем прямого восстановления диода („,лй.