Схемы включения стабилитронов

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения представлена на рис. 18. В этом режиме напряжение на стабилитроне

Рис. 18

остается практически постоянным, поэтому и напряжение на нагрузке постоянно U_Н = U_ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид: E = U_ст + R_ст (I_ст – I_Н).

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R_Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R_СТ. Обычно R_СТ рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона (рис. 19). Если предположить, что E_min £ E £ E_max, то

Если напряжение Е изменяется в какую либо сторону, то будет, и изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U_CT, а, следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Рис. 19

Все изменения напряжения поглощаются R_CT, поэтому должно выполнится условие:

Второй режим стабилизации: входное напряжение постоянно, а R_Н изменяется в пределах от R_Нmin до R_Нmax, в этом случае: , ; .

Так как R_CT постоянно, то падение напряжения на нем равное Е−U_CT также постоянно, то и ток через R_CT I_CP+I_НCP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I_CP и I_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположны стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений входного напряжения Е, R_CT нужно увеличивать, а для стабилизации в режиме изменения тока нагрузки, R_CT необходимо уменьшать (уменьшать R_CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, возможно включение добавочного сопротивления последовательно с нагрузкой (рис. 20). Значение R_доб рассчитывают по закону Ома. Однако, в этом случае сопротивление нагрузки R_CT должно быть постоянным.

 

U_Н=U_CT ─ I_НR_доб

Рис. 20

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов, с одинаковыми токами стабилизации (рис. 21).

U_CT=U_CT1+U_CT2

Рис. 21

Для компенсации температурного дрейфа U_CT последовательно со стабилитроном возможно включение термозависимого сопротивления R_T, имеющее ТКR_Т обратный по закону ТКU_CT.

Рис. 22

Для стабилитронов с ТКU_CT>0 в качестве R_T можно использовать p-n-переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двух-анодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении – обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом – режим термокомпенсации (рис. 22).

 

Стабисторы

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Однако для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r_б и малое значение R_диф. Слабая зависимость U_ПР от I_ПР на

Рис. 23

рабочем участке (рис. 23) позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений порядка 0,7В. Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации.

 

Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 24).

Рис. 24

Туннельные диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей. Вследствие этого толщина запирающего слоя p-n-перехода очень мала (0,01¸0,02мкм), что создает условия для туннельного эффекта.

Наличие высокой концентрации примесей вызывает расщепление примесных уровней в зоны и сильное искривление энергетических зон.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче прямого смещения возрастает поток электронов туннелированных из n области в p. По мере роста U_пр происходит увеличение I_пр, который достигает I_max при U₁(0 ¸ 1) (для германиевых диодов U₁ = 40 ¸ 50 мВ; для арсенид галлиевых - U₁ = 100 ¸ 150 мВ). При этих смещениях величина диффузионного тока через потенциальный барьер ничтожна, и I_пр определяется только туннельным эффектом. При дальнейшем увеличении U_ПР, I_ПР уменьшается (перекрытие энергетических зон уменьшается). При U_ПР = U₂ туннельный ток равен нулю (1¸2).

Этот участок ВАХ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением т.к. DI < 0.

В т.2 I_ПР= I_min – это обычный прямой диффузионный ток диода. (т.е. в т.2 туннельный диод ведет себя как обычный диод), туннельный эффект закончился.

При дальнейшем увеличении U_ПР, I_ПР увеличивается (2¸3) за счет роста диффузионного тока – преодоление электронов потенциального барьера.

Основные особенности ВАХ туннельных диодов:

- участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением R_диф;

- большие токи при обратных смещениях.

Основные параметры:

- ток максимальный I_max – соответствует пику ВАХ;

- ток минимальный I_min – соответствует минимуму ВАХ;

- напряжение пика U₁ – соответствует току I_max;

- напряжение U₂ – соответствует I_min;

- максимальный I_ПР;

- U_ПР соответствует I_ПРmax;

- постоянное обратное напряжение;

- емкость диода.

Туннельные диоды используются в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия (до 1000 мГц).

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность – это практическое отсутствие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой ветви ВАХ (рис. 25).

По форме ВАХ обращенного диода представляет перевернутую ВАХ обычного диода.

Открытое состояние для таких диодов соответствует обратному смещению. При обратном смещении ток через диод очень сильно зависит от напряжения. Достоинство – диоды могут работать при очень малых напряжениях.

 

Рис. 25

Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование процесс малоинерционный, а смещения малы, поэтому практически отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей.

Обращенные диоды используются в диапазоне СВЧ. Достоинством туннельных и обращенных диодов является высокая радиационная стойкость, вследствие высокой концентрации примесей.

 

Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, который используется как нелинейная емкость, управляемая напряжением (емкость p-n-перехода – функция приложенного напряжения).

В варикапах используется барьерная емкость, т.к. диффузионная зашунтирована малым прямым сопротивлением p-n-перехода.

Варикап работает при обратных смещениях на p-n-переходе. Его емкость меняется в широких пределах (10¸1000 пФ) и определяется выражением:

,

где С₀ – емкость при U_Д = 0, U_K – значение контактного потенциала, U – приложенное обратное напряжение, n =2 – для резких p-n переходов, n=3 – для плавных переходов. С ростом U_обр емкость уменьшается. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика (ВФХ) (рис. 26).

Рис. 26

Основные параметры:

- емкость варикапа С_в – емкость, измеренная при заданном U_обр;

- коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей при двух заданных U_обр; ,

− сопротивление потерь r_П – суммарное активное сопротивление варикапа;

− добротность Q_B – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте Х_С к сопротивлению потерь ;

- ТКС_В – температурный коэффициент С_В.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации. Светодиод (СИД) получают на основе p-n или гетеропереходов с выпрямляющей ВАХ (рис. 27).

Рис. 27

Излучение в области перехода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока. При этом рекомбинирующий электрон переходит из ЗП в ВЗ с выделением кванта света с энергией hu»DW_3З. Для получения квантов видимого света ширина ∆W_ЗЗ должна составлять DW₃³1,7эВ. При DW₃<1,7эВ излучение находятся в инфракрасном диапазоне.

Такой величиной DW₃₃ обладают полупроводниковые соединения GaAsP с различным соотношением элементов 1,4<DW₃₃<2 (цвета красный, зеленый).

Рис. 28

В обычных плоских переходах, кванты света поглощаются в кристалле полупроводника вследствие внутреннего отражения. Поэтому в СИД используют сферическую форму кристалла, либо плоский кристалл полупроводника вплавляют в сферическую каплю стекла или пластика, что снижает эффект внутреннего отражения (рис. 28).