Лк9 (975656), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Чем больше отношение R₀/ тем лучше стабилизация. Ток стабилизации (рис. 14.6, а)

(14.1)

Напряжение источника питания определяется как сумма падений напряжений на стабилитроне и балластном резисторе R₀ (рис. 14.4, б):

(14.2)

Нестабильность выходного напряжения вызывается двумя основными причинами: нестабильностью входного напряжения и нестабильностью входного тока (нестабильностью сопротивления нагрузки R_н).

При изменении входного напряжения в пределах напряжение на стабилитроне и нагрузке изменится на величину Из (14.2) получим

(14.3)

откуда

(14.4)

Из (14.4) видно, что при , т е. изменение напряжения на стабилитроне (на выходе) значительно меньше, чем изменение напряжения на входе.

При изменении тока нагрузки , что равносильно изменению сопротивления ток через стабилитрон устанавливается таким, что полный ток и напряжение на стабилитроне U_ст остаются практически постоянными. Допустим, что при изменении сопротивления ток нагрузки возрос на величину . Тогда ток в неразветвленной части цепи казалось бы, должен возрасти на такую же величину, а напряжение на нагрузке и стабилитроне – снизиться на . В действительности этого не происходит, так как даже небольшое снижение напряжения на стабилитроне вызывает резкое уменьшение тока через него. Поэтому результирующее изменение тока в неразветвленной цени , т. е. возрастание тока в нагрузке компенсируется снижением его в стабилитроне – , так что значение будет малым и полный ток останется практически неизменным. Результирующее изменение напряжения на нагрузке при этом также будет незначительным:

(14.5)

Стабилотроны изготовляют в основном из кремния, обеспечивающего низкий ток насыщения.

14.3 Туннельные диоды

Туннельный диод был предложен в 1958 году Лео Исаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за открытие эффекта туннелирования электронов, применяемого в этих диодах.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p⁺n⁺-перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N_A, N_D~10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p_p0, n_n0 >> N_C, N_V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺- и n⁺-полупроводников. В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺-типа - дырками.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного pn-перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность pn-перехода (p⁺- более сильнолегированная область). Тогда ширина p⁺n⁺-перехода мала:

Длину волны де Бройля электрона оценим из простых соотношений:

Таким образом, геометрическая ширина p⁺n⁺-перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p⁺n⁺-переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер.

На рис. 14.6, 14.7 показаны зонные диаграммы типичного туннельного диода при обратном и прямом смещении, соответствующие различным точкам на ВАХ.

Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями.

Проанализируем особенности ВАХ туннельного диода. На участке 1 (рис. 14.6,а) при обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны полупроводника p⁺-типа на свободные места в зоне проводимости полупроводника n⁺- типа без изменения энергии. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение ВАХ резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При нулевом смещении переходы зона-зона невозможны и ток равен нулю (рис. 14.6,б).

При небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости полупроводника n⁺ – типа начинают появляться свободные места в валентной зоне п/п p⁺–типа при той же самой энергии. По мере роста напряжения число прямых переходов возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне полупроводника p⁺–типа оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости полупроводника n⁺ –типа (рис. 14.6,в). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости полупроводника n⁺–типа оказываются состояния в запрещенной зоне полупроводника p⁺–типа (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют) (рис. 14.6,г). На этом участке туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. Это – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока pn-перехода (рис. 14.6,д).

Из принципа действия туннельных диодов видно, что процессы в них обусловлены основными носителями заряда, а рекомбинация не играет принципиальной роли. Поэтому характерное время в туннельных переходах есть не время жизни неравновесных носителей, а максвелловское время релаксации , при 1 (Ом∙см)^-1 10^-12 с. Вследствие этого теоретический предел частот намного больше, чем у диффузионных pn-переходов. Однако предельная частота реальных приборов понижается вследствие влияния паразитной емкости и индуктивности корпуса прибора.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены другие полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельных диодов: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др.

В силу того, что туннельных диод в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.

14.4 Обращенные диоды

Обращенный диод представляет собой полупроводниковый диод на основе p-n-перехода (рис. 2.19), проводимость которого при малых обратных напряжениях из-за туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом смещении.

Высота потенциального барьера перехода зависит от уровней легирования n - и р-областей диода. При соответствующем легировании можно добиться того, чтобы в отсутствие напряжения E_c и E_v расположились на одном уровне (рис. 14.9, а).

У обращенных диодов при прямом смещении туннельный ток отсутствует и прямая ветвь ВАХ определяется диффузионными составляющими токов электронов и дырок, как у обычных диодов (рис. 14.9, 6). Обратная ветвь ВАХ у таких диодов определяется туннелированием электронов (рис. 14.9, в). Обращенные диоды являются разновидностью туннельных диодов и используют в радиотехнических устройствах как детекторы, смесители при малых уровнях сигналов, а также в ключевых устройствах при сигналах с малыми амплитудами.

Характеристики

Список файлов лекций