Варикапы, туннельные и обращенные диоды

Варикапами называются полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения.

Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др.

Вольт-фарадная характеристика варикапа:

 

 

Схема замещения:

 

 

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.

При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь n-области, в результате чего происходит расширение обеднённой области p-n-перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области. В таком случае, в соответствии с формулой для ёмкости плоского конденсатора, с ростом расстояния между обкладками (вызванной ростом значения обратного напряжения) ёмкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы, далее которой переход расширяться не может

Принцип работы туннельного диода (TД) основан на явлении туннельного эффекта в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Это приводит к появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением при прямом напряжении.

Концентрация примесей в p- и n- областях выбирается порядка , следствием чего является малая толщина перехода (порядка 0,01 мкм). Локальные уровни примесей образуют в вырожденных полупроводниках сплошную зону. Уровни Ферми располагаются соответственно в валентной зоне p-области и в зоне проводимости n-области. В состоянии термодинамического равновесия зона проводимости n-полупроводника и валентная зона p-полупроводника перекрываются на величину .

Известно, что частица, имеющая энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера, может пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется свободный энергетический уровень, который она занимала перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. Чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота, тем больше вероятность туннельного перехода. Туннельный переход совершается без затраты энергии.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода:

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений, что позволяет использовать его для генерации и усиления колебаний, а также в переключающих схемах.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р- и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода представлена:

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви обычного выпрямительного диода, а обратная ветвь аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, т.к. при обратных напряжениях происходит туннельный переход электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области и при малых обратных напряжениях (десятки милливольт) обратные токи оказываются большими. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление в них соответствует обратному включению, а запирающее – прямому включению.

8. Диоды Шотки. Переход металл – полупроводник.

В современных полупроводниковых приборах применяются контакты между металлами и полупроводниками. Процессы в таких переходах зависят от работы выхода электронов, то есть от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела

Контакт металла (М) с полупроводником

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис а) работа выхода электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника, то будет преобладать выход электронов из металла. Поэтому в слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения. Такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис б), если работа выхода электронов из полупроводника меньше чем у металла.

Иные свойства имеет переход как на рисунке в. В этом случае электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и потому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямительными свойствами. Этот потенциальный барьер называется барьер Шотки, а полупроводниковые диоды называются диодами Шотки. В диодах Шотки отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов. Поэтому диоды обладают значительно более высоким быстродействием по сравнению с обычными p-n переходами. Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником p-типа при Ам < Ап.

Выражение для ВАХ:

Где , где А – коэффициент, зависящий от свойств материала; - контактная разность потенциалов; U – напряжение, приложенное к переходу металл-полупроводник

- условное обозначение диода Шотки.

9. Туннельные и обращенные диоды – смотри вопрос №7

Выпрямители.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Однополупериодная схема выпрямления

Выпрямительные диоды всегда включаются последовательно нагрузки. Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рисунке.

Работа выпрямителя основана на односторонней проводимости диода. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяется по синусоидальному закону: U_вх=U_msin(wt).

Во время положительного полупериода диод смещается в прямом направлении, через нагрузку протекает ток. Падение напряжения на нагрузке будет практически равно напряжению вторичной обмотки трансформатора, т.к. падение напряжения на прямосмещённой диоде очень мало.во время отрицательного полупериода входного сигнала диод закрывается и через вторичную обмотку трансформатора ток не протекает. Выпрямительный ток будет создавать на нагрузочном резисторе падение напряжения, средняя величина которого равна:

 

 

Среднее значение тока, протекаемого в нагрузочном резисторе, определяется из выражения:

Разложив в ряд Фурье напряжение, получим

где первое слагаемое – постоянная составляющая выпрямленного напряжения, второе – первая гармоника выходного напряжения .

Достоинством схемы является её простота. Недостатками – большие потери в трансформаторе из-за подмагничивания постоянной составляющеё тока.

Однофазный двуполупериодный выпрямитель

Параметры выпрямителя можно улучшить, если ток в цепи нагрузки будет протекать в оба полупериода входного сигнала. Это достигается путем двух систем однополупериодного выпрямителя, которые должны работать синхронно и противофазно на общую нагрузку. Схема выпрямителя однофазного двуполупериодного со средней точкой представлена на рисунке.

Вторичная обмотка трансформатора выполняется с отводом от средней точки. Напряжение между концами вторичной обмотки и средней точкой противоположны по фазе:

Если в первый полупериод потенциал верхнего вывода обмотки трансформатора положителен, нижнего вывода относительно средней точки – отрицателен, то диод VD₁ открыт, ток протекает через нагрузку и практически всё приложено к нагрузке, диод VD₂ при этом заперт входным напряжением , а также напряжением , которое тоже оказывается отрицательным для VD₂. Во второй полупериод VD₂ открывается, а диод VD₁ закрывается. Ток через нагрузку проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Диодный мост (см. выпрямительные диоды)

 

 

Ограничители.

Ограничитель (варистор) - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

, где U и I — напряжение и ток варистора.

Варистор в состоянии покоя имеет высокое сопротивление (несколько МОм) по отношению к защищаемому прибору и не изменяет характеристику электрической цепи. При превышении напряжения варистор имеет низкое сопротивление (всего несколько Ом) и фактически шунтирует прибор, т.е. устройство Е защищено.

ВАХ: