СТАБИЛИТРОНЫ И СТАБИСТОРЫ

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области электрического пробоя (рис. 1.3, а). Этот участок, характеризую­щийся слабой зависимостью напряжения от тока, является ра­бочим.

Для изготовления стабилитронов используют кремний, так как кремниевые p-n-переходы имеют небольшие обратные токи, не при­водящие к саморазогреву полупроводника как в предпробойной области, так и в области электрического пробоя. Поэтому переход в область пробоя резкий, а рабочий участок, идущий практически

Рис. 1.З. Характеристики стабилитронов.

параллельно оси токов, не имеет области отрицательного сопротив­ления, характерной для теплового пробоя. Напряжение пробоя, являющееся напряжением стабилизации, зависит от параметров исходного полупроводника и технологии его обработки. У стабили­тронов с низкоомной базой, работающих при напряжениях стабили­зации до 3 В, пробой носит туннельный характер. В диапазоне напряжений от 3 до 7 В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов пробоя. У стабилитронов с высокоомной базой, работающих при напряжениях стабилизации свыше 7 В, пробой носит лавинный характер, так как р-n-переходы имеют значительную ширину, и поэтому напряженность электриче­ского поля в них недостаточна для возникновения туннельного пробоя.

Прямая ветвь ВАХ стабилитрона практически не отличается от прямой ветви ВАХ выпрямительного диода.

К основным параметрам стабилитронов относятся:

Напряжение стабилизации U_ст — падение напряжения на ста­билитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Для характеристики изменения U_ст на рабочем участке в паспортных данных приводят допустимый разброс напряжения стабилизации (в процентах).

Ток стабилизации /_ст — ток, соответствующий напряжению ста­билизации Uст. В справочной литературе приводятся также значения минимального тока стабилизации /_ст. мин, соответствующего началу рабочего участка, и максимального тока стабилизации /ст. макс, при котором рассеиваемая мощность не превышает допус­тимого значения.

Дифференциальное сопротивление r_ст — сопротивление, харак­теризующее наклон рабочего участка. Величина характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации. В зависимости от величины г_ст стабилитроны можно условно разделить на две группы: регулирую­щие (общего назначения), используемые в стабилизаторах и ограни­чителях постоянного и переменного напряжения, и опорные (преци­зионные), которые служат источниками эталонного напряжения в схемах, где требуется высокая степень стабилизации напряжения.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации _ст представляет собой относительное изменение напряжения стабили­зации, соответствующее изменению температуры на один градус при постоянном токе стабилизации:

График, показанный на рис. 1.3, б, характеризует изменение а_ст в зависимости от величины напряжения стабилизации. Из графика видно, что в случае преобладания туннельного пробоя (U_CT < 5,4 В) _ст отрицателен. Более высоковольтные стабилитроны, у которых преобладает лавинный пробой, имеют положительный _СT. На практике для снижения _СT последовательно со стабили­троном, работающим в нормальном (обратном) направлении, вклю­чают один или несколько стабилитронов, работающих в прямом на­правлении. Это обусловлено тем, что прямая ветвь ВАХ стабили­трона имеет отрицательный температурный коэффициент напряже­ния. Вместо стабилитронов в прямом направлении могут быть включены выпрямительные диоды, у которых прямая ветвь ВАХ также имеет отрицательный температурный коэффициент напря­жения, или терморезисторы, имеющие отрицательный температур­ный коэффициент сопротивления. Этот принцип используется при изготовлении прецизионных стабилитронов, у которых полупро­водниковый элемент содержит три p-n-перехода: один рабочий, а два других, включенных последовательно с рабочим в прямом направлении, компенсирующие.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_МАКС — до­пустимое значение постоянной или средней рассеиваемой на стаби­литроне мощности, при которой обеспечивается заданная надеж­ность. Величина Р_МАКС при повышении температуры снижается по линейному закону. Кроме перечисленных параметров, в справочниках часто при­водятся максимальные значения прямого тока /_пр._МАКС и падения напряжения при прохождении прямого тока U_{ПР.МАКС}.

Для стабилизации низковольтных напряжений используется прямая ветвь ВАХ. Такие приборы, называемые стабисторами, имеют напряжение стабилизации в диапазоне 0,3—1 В и характе­ризуются отрицательной величиной _ст.

Особую группу среди стабилитронов составляют двуханодные (двухсторонние) стабилитроны, которые имеют симметричную ВАХ (рис. 1.3, б). В двуханодных стабилитронах используется трехслой­ная симметричная р-п-структура. Принцип работы приборов осно­ван на смыкании слоев объемного заряда, которое наступает при таком напряжении, когда граница области объемного заряда обрат­но включенного р-п-перехода доходит через базовую область до границы области объемного заряда прямо включенного р-п-перехода. При этом резко увеличивается ток через структуру, как при электрическом пробое. Напряжение смыкания (напряжение стаби­лизации) зависит от ширины и удельного сопротивления базовой области.

Двуханодные стабилитроны дополнительно характеризуются несимметричностью напряжения стабилизации Н_ст, представляющей разность напряжений стабилизации при двух равных по абсо­лютной величине и противоположных по знаку заданных токах стабилизации. Двуханодные стабилитроны выпускаются на рабочие напряжения до 5000 В при токах стабилизации до 1 А с допускае­мым уровнем рассеиваемой энергии до 100 Дж. Они используются в устройствах преобразовательной техники для снижения перена­пряжений любой полярности, в мощных ограничителях напряже­ния и т. д.

4. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ. ВАРИКАПЫ

В универсальных диодах, предназначенных для использования в схемах нелинейного преобразования электрических сигналов (выпрямление, детектирование и т. д.) в диапазоне частот до 1000 МГц, используются точечные р-п-переходы, размеры которых меньше характери­стической длины, определяющей физические процессы в р-п-переходе (например, толщина р-п-перехода). Точечные переходы имеют небольшую площадь. Поэтому универсальные диоды характеризуются малыми прямыми токами не более 150 мА и низкими значения­ми допустимой мощности рассеяния.Для универсальных диодов характерны

Рис. 1.4. ВАХ уни­версального диода.

сравнительно низкие рабочие напряжении (до 150 В), что объяс­няется резким возрастанием обратного тока при повышении напря­жения из-за существенного увеличения тока утечки и тока .

Рис. 1.5. Графики переходных процессов в диоде:

а — при включении; 6 — при выклю-

термогенерации. В области пробоя на обратной ветви ВАХ имеется участок ab с отрицательным сопротивлением (рис. 1.4).

Основными параметрами универсальных диодов (табл. 1.3) яв­ляются предельный ток I_{ПР.МАКС} максимальное обратное напряже­ние U_{ОБР.МАКС}, обратный ток I_ОБР, предельная частота f_макс и про­ходная емкость С_ПР, представляющая собой величину статической емкости между зажимами диода.

Импульсные диоды, работающие в режиме переключения в быс­тродействующих импульсных схемах (логические схемы, диодные

ограничители и фиксаторы уровня и т. д.), должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении.

Процесс включения характеризу­ется установлением прямого падения напряжения на диоде. Из рис. 1.5, а видно, что в начальный момент вклю­чения на сопротивлении базы имеется значительное падение напряжения U_Б, которое постепенно убывает вследствие уменьшения сопротивле­ния базы r_Б. Уменьшение r_Б обуслов­лено процессом накопления в базовой области диода неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Напряжение на p-n-переходе U_ПЕР, как и обычно, увеличивается от нуля

до установившегося значения. Общее падение напряжения на дио­де, являющегося суммой U_Б + U_ПЕР, изменяется в зависимости от соотношения между этими напряжениями. Длительность процесса включения снижается при уменьшении сопротивления базовой области и площади р-п-перехода.

Выключается диод на практике двумя способами. При персом способе через диод после прекращения импульса прямого тока про­ходит ток обратного направления, вызванный послеинжекционной ЭДС, которая состоит из падения напряжения на открытом диоде и ЭДС Дембера, обусловленной различием подвижностей электро­нов и дырок. Послеинжекционная ЭДС постепенно уменьшается вследствие рассасывания накопленных в базе носителей заряда из-за рекомбинации, и обратный ток убывает до нуля.

При втором способе после подачи на диод импульса напряжения обратной полярности (рис. 1.5, б) некоторое время р-п-переход остается в состоянии прямого включения вследствие того, что кон­центрация неравновесных носителей заряда, накопленных в базовой области при прохождении прямого тока, отлична от нуля и скачком измениться не может. При этом через диод проходит обратный ток, величина которого зависит от внешнего напряжения и сопротивления цепи диода. Через некоторый промежуток времени t₁избыточные носители заряда исчезают вследствие процесса ре­комбинации и напряжение на р-п-переходе падает до нуля. С этого момента времени р-п-переход оказывается включенным в обратном направлении и сопротивление его возрастает. Обратный ток в тече­ние промежутка времени t₂уменьшается до стационарного значе­ния. Время восстановления обратного сопротивления t_ВОССТ =t₁+t₂ снижается с уменьшением толщины и площади базовой области, а также при увеличении крутизны импульса напряжения обратной полярности. Для уменьшения t_восст следует снижать количество избыточных носителей заряда, накапливающихся в ба­зовой области диода при протекании прямого тока.

Особую группу импульсных диодов, у которых эффект накопле­ния отсутствует, составляют диоды Шоттки (диоды на «горячих» электронах), в которых используется выпрямляющий контакт ме­талл—полупроводник. Основой диода является низкоомная полу­проводниковая пластинка с электронной электропроводностью, на которой создается высокоомная пленка толщиной 1 —1,5 мкм полупроводника п-типа. На поверхность пленки наносят металли­ческий слой, служащий одновременно электрическим контактом. Если к такому переходу приложить внешнее напряжение, то прак­тически все падение напряжения будет приходиться на узкую высокоомную область, напряженность электрического поля в ко­торой достигает значительных величин (до 10⁶ В/м). В результате электроны «разогреваются», т. е. приобретают энергию, достаточ­ную для преодоления потенциального барьера перехода металл— полупроводник и переходят в металлический слой. Поскольку носители заряда при этом не накапливаются, то инерционность диодов Шоттки невелика и определяется только зарядной емкостью перехода и временем пролета электронов через слой высокоомного полупроводника.

Эффект накопления не всегда отрицателен и используется в дио­дах с накоплением заряда (ДНЗ), которые называют также накопи­тельными диодами. В этих диодах в базовой области создается не­равномерная по ширине базы концентрация примесей. В результате возникает электрическое поле, препятствующее накоплению носи­телей заряда в отдаленных от р-п-перехода областях базы. Поэтому при прохождении прямого тока основная часть избыточных носите­лей заряда накапливается вблизи р-п-перехода. Если к ДНЗ при­ложить обратное напряжение, то в течение времени t₁ (рис. 1.5, б) обратный ток, аналогично ранее рассмотренному, не изменяется.К моменту окончания t₁ в базе остается незначительное количество избыточных носителей и поэтому процесс их рассасывания проис­ходит за небольшой промежуток времени t₂ << t₁. Это свойство ДНЗ позволяет использовать их в качестве формирователей прямо­угольных импульсов с очень крутыми фронтами.

К основным параметрам импульсных диодов относят­ся: предельный ток I_{ПР.МАКС}, максимальное обратное напряжение U_{ОБР.МАКС}, обратный ток I_ОБР, время восстановления обратного со­противления t_ВОССТ. емкость диода С_Д максимальный импульс тока I_{ИМП.МАКС}, представляющий собой наибольшее значение тока в им­пульсе заданной длительности, которое не вызывает повреждения диода, а также импульсное прямое сопротивление R_{ИМП. ПР}. являю­щееся отношением импульсного напряжения на диоде к вызвав­шему его импульсу тока.

Сверхвысокочастотные (СЕЧ) диоды используются в устройствах, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. В зависимости от назначения диоды СВЧ разделяются на смеситель­ные, предназначенные для преобразования СВЧ сигнала и сигнала гетеродина в сигнал промежуточной частоты; детекторные (видео­диоды), предназначенные для детектирования СВЧ колебаний, т. е. для преобразования импульса СВЧ колебаний (радиоимпульса) в импульс огибающей (видеоимпульс); параметрические, предназ­наченные для работы в усилителях СВЧ колебаний; регулирующие, предназначенные для работы в переключателях, ограничителях и модуляторах СВЧ колебаний; умножительные, использующиеся для умножения СВЧ колебаний; генераторные, предназначенные для генерирования СВЧ колебаний. В качестве диодов СВЧ исполь­зуются диоды с точечными p-n-переходами, лавшшо-пролетные (ЛПД), диоды Шоттки, ДНЗ, диоды Ганна и др.

К основным параметрам диодов СВЧ относятся: емкость, индук­тивность, потери преобразования, добротность, чувствительность по току и др. Эти параметры характеризуют свойства диодов СВЧ при использовании их в конкретном классе схем.

Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых исполь­зуется зависимость емкости от величины обратного напряжения. Варикапы предназначены для применения в качестве нелинейных конденсаторов с электрически управляемой величиной емкости. Разновидностью варикапов являются варакторы, предназначенные для умножения СВЧ сигналов.

Известно, что заряд и ширина р-п-перехода изменяются в зависимости от ве­личины и полярности внешнего напряже­ния. Кроме того, величина заряда избыточных носителей в базовой области также изменяется при изменении напряжения. Следовательно, диод можно охарактеризовать двумя емкостя­ми: барьерной, отражающей изменение заря­дов в p-n-переходе, и диффузионной (заряд­ной), отражающей изменение зарядов в базо­вой области.

Диффузионная емкость, преобладающая при прямом включении диода характеризуется сильной зависимостью от температуры и частоты и имеет низкую добротность. Поэтому варикапы исполь­зуются при обратном включении, когда преобладает барьерная емкость. Значение барьерной емкости может быть определено из уравнения

(S — площадь, а — ширина р-п-перехода), из кото­рого видно, что емкость зависит от свойств полупроводника, кон­струкции р-п-перехода и приложенного напряжения.

Важной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика, представляющая собой зависимость емкости вари­капа от величины обратного напряжения (рис. 1.6).

К основным параметрам варикапов (табл. 1.5) относятся: номи­нальная емкость С_НОМ при обратном напряжении U_ОБР = 4 В; мак­симальная С_МАКС и минимальная С_МИН емкости при минимальном и максимальном обратном напряжении; добротность Q, представ­ляющая собой отношение реактивного сопротивления к полному

Рис. 1.6. Вольт-фарад­ная характеристика ва­рикапа.

5. Туннельные и обращенные диоды

Туннельными называют диоды на основе вырожденных полупроводников, у которых туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Сущность туннельного эффекта заключается в том, что имеется малая, но конечная вероятность перехода электрона, обладающего энергией, меньшей энергетической высоты потенциального барьера р-n-перехода, через потенциальный барьер при достаточно малой ширине р-n-перехода и высокой напряженности электрического поля. При этом энергия электрона не изменяется. Иными словами, электрон как бы "туннелирует" ("просачивается") через потенциальный барьер р-n-перехода.

На рис. 1.7, а показана энергетическая диаграмма р-n-перехода туннельного диода при отсутствии внешнего напряжения. Стрелками снабжены те электроны, которые могут перейти в смежный слой благодаря туннельному эффекту. Из рисунка видно, что вследствие взаимного перекрытия валентной зоны р-области и зоны проводимости n-области часть электронов этих зон находится на одинаковых энергетических уровнях. Уровень Ферми располагается в пределах соответствующих разрешенных зон, так как области р- и n-типа образованы вырожденными полупроводниковыми слоями. При этом количество электронов с энергией, превышающей энергию уровня Ферми, невелико. При отсутствии внешнего электрического поля встречные потоки туннелирующих электронов равны и общий ток через диод равен нулю.

Если к диоду приложить небольшое прямое напряжение, то высота потенциального барьера и степень перекрытия зон уменьшится. При этом поток электронов, туннелирующих из n- в р-область практически не изменяется, а встречный поток значительно снижается (рис. 1.7, б). В результате возникает ток, направленный из р- в n-область, который возрастает при увеличении напряжения до максимального значения Iп (участок 0-1 на рис.1.7, д). При напряжении, равном Uп, уровень Ферми n-области совпадает с верхней границей валентной зоны р-области (рис. 1.7, б). При дальнейшем повышении прямого напряжения ток диода снижается до минимального значения Iв из-за уменьшения количества туннелирующих электронов (участок 1-2 на рис. д). Это обусловлено тем,что по мере снижения степени перекрытия зон уменьшается количество электронов в зоне проводимости n-области, энергия которых меньше верхней границы валентной зоны р-облсти. При напряжении, равном Uв, верхняя граница валентной зоны р-области совпадает с нижней границей зоны проводимости n-области (рис. 1.7, в). Последующее повышение напряжения приводит к увеличению прямого тока (участок 2-3 на рис. 1.7, д), что обусловлено снижением потенциального барьера р-n-перехода аналогично обычному диоду.

Если к туннельному диоду приложить обратное напряжение, то поток электронов, туннелирующих из n- в р-область практически не изменяется, а встречный поток вследствие повышения степени перекрытия зон возрастает (рис. 1.7, г). В результате обратный ток диода значительно увеличивается при небольшом повышении обратного напряжения. Изменение потока дырок в туннельном диоде происходит аналогично.

К основным параметрам туннельных диодов (таб. 1.6) относятся: пиковый ток Iп, ток впадины Iв, напряжение пика Uп, напряжение впадины Uв; напряжение раствора Uрр, отношение токов Iп/Iв; емкость диода Сд и ряда других параметров.

Туннельные диоды применяются в усилителях, генераторах и ключевых устройствах.

Обращенные-это полупроводниковые диоды, электропроводность которых при обратном напряжении значительно больше, чем при прямом, вследствие туннельного эффекта. Обращенные диоды отличаются от туннельных меньшей концентрацией примесей, вследствие чего при отсутствии внешнего напряжения энергетические зоны не перекрываются. Поэтому принцип работы обращенного диода при прямом напряжении аналогичен работе обычного. При обратном напряжении валентная зона р-области и зона проводимости n-области взаимно перекрываются. Поэтому прохождение обратного тока обусловлено туннельным эффектом.

Вольт - амперная характеристика обращенного диода показана на рис. 1.8. В отличие от туннельного диода на прямой ветви ВАХ практически отсутствует максимум. Обратные ветви ВАХ обращенного и туннельного диодов совпадают. Для практических целей используют зеркальное отображение ВАХ, повернутое на 180⁰ (на рис. 1.8. показано штрихами), т.е. считают обратную ветвь прямой, а прямую - обратной. При этом обращенные диоды имеют значительно меньшее падение напряжения в прямом направлении по сравнению с обычными диодами, но обратное напряжение их также невелико (0,3-0,5 В).

Обращенные диоды используются в детекторах, смесителях и ключевых устройствах, работающих при малых сигналах.

6. Модели диодов

Широкое внедрение электронной техники практически во все отрасли народного хозяйства, повышение темпов научно-технического прогресса, усложнение электронных схем и устройств обусловили необходимость автоматизации процесса проектирования электронной аппаратуры ЭВМ. Машинное проектирование позволяет находить наиболее оптимальные с точки зрения технико-экономической эффективности решения, а также дает возможность анализировать сложные электронные устройства при любом сочетании внешних воздействий. Оной из важнейших задач проектирования является модификация существующих и создание новых эквивалентных схем (схемных моделей) элементов электронных устройств с целью упрощения и в то же время повышения точности расчетов.

Основой большинства схемных моделей является математическая модель, характеризующая физику процессов, происходящих в приборе. Схемная модель должна описываться простыми математическими выражениями, с достаточной точностью отражающими физические процессы в приборе, т.е. уравнения схемной модели должны быть по возможности точным отражением уравнений математической модели. Модель диода в общем, виде является интерпретацией зависимости между током диода и приложенным напряжением.

Для построения идеализированной модели диода (рис.1.9, а) используется уравнение вольт - амперной характеристики (ВАХ) р-n-перехода:

.

В реальных диодах необходимо учитывать влияние сопротивления базовой области (при прямом включении), сопротивление поверхностных утечек (при обратном включении) и емкости р-n-перехода (в переходных процессах). Учет этих явлений с достаточной степенью точности отражается в модели Эберса - Молла, показанной на рис. 1.9, б, которая используется как динамическом, так и в статическом режимах (в последнем случае из модели исключаются конденсаторы). Параметры модели Эберса - Молла - ток генератора I=f(Uпер), зависящий от напряжения на р-n-переходе Uпер; барьерная Сбар. и диффузионная Сдиф. емкости; сопротивление базы rб и сопротивление утечки rут - определяется математическим либо экспериментальным путем.

Кусочно-линейная модель диода (рис. 1.9, в) обладает простотой и наглядностью, однако имеет небольшую точность и не отражает зависимости между внешними электрическими параметрами диода и его физическими свойствами. Модель из трех эквивалентных схем, характеризующих режим прямого включения (1), обратного включения (2) и электрического пробоя (3). Параметры модели определяют из линеаризованной ВАХ диода (рис.1.9, г) с помощью соотношения rпр ≡ctg*γ1; rобр ≡ctg*γ2; rпроб ≡ctg*γ3; Е1=U0; U2=Uпроб.

В модели Линвилла (рис.1.9, д) полупроводниковая структура представляется в виде совокупности символических элементов, отражающих физические процессы в объеме и на поверхности полупроводника: сторанс S-элемент, характеризующий процесс накопления не основных носителей заряда в соответствующей области полупроводника; диффузанс Нd-элемент, характеризующий процесс диффузии не основных носителей заряда; комбинанс Нс-элемент, характеризующий процесс рекомбинации не основных носителей заряда. На рис. 1.9, д. через n(0) b р(0) - обозначены избыточные концентрации не основных носителей заряда на границах р-n-перехода, через Спер.- емкость р-n-перехода. Символическим элементам модели соответствует электрические величины: аналогом сторанса являются емкость, диффузансат и комбинанса - электропроводность, избыточной концентрации не основных носителей заряда - напряжение в узле. Параметры модели Линвилла определяются через физические параметры диода.

Модель Бьюфоу - Спаркса (зарядоуправляемая модель) базируется на методе заряда, устанавливающем связь между изменением во времени заряда не основных носителей в базовой области и током, проходящим через диод:

., (1-2)

где Q(t)-заряд не основных носителей; τр.- время жизни не основных носителей заряда (дырок) в базовой области n-типа.

Уравнению (1-2) соответствует модель, показанная на рис.1.9, е.

Модели Эльберса-Молла, Линвилла и Бьюфоу-Спаркса являются адекватными, так как базируются на одной математической модели. Они обладают одинаковой погрешностью и отличаются лишь степенью отражения физических процессов в диоде.