Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U_{обр max} = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_о6р1, = R_обр2 = 1 МОм и R_о6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится U_о6р1, = U_обр2 = 200 В и U_о6р3, = 600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее R_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

 

 

Рисунок 2.26 – Последовательное соединение диодов

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.26). Сопротивления R _ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R _ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.27, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых I_{пр max} = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.27 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.27, б) – с целью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_у = 0,1:0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R _у . Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на R_y ,, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

 

Импульсные диоды

 

Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупровод-никовые диоды часто работают в импульсном режиме (импульсных цепях) при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n переходов (доли микроварад). Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой R_н во много раз больше прямого сопротивления диода (R_н» R_пр ) (рисунок 2.28). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рисунок 2.28, а).

График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на показан для этого случая на рисунке 2.28, б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением R_н. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше R_н. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длитель­ностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит им­пульс обратного тока (рисунок 2.28, б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме i_{обр. уст}.

 
Рисунок 2.28 - Импульсный режим работы диода

Главная причина это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в n- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если n-область является эмиттером, а р-область - базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n-области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками

или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.

Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения i_{обр уст}. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода R_обр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время τ_вос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время - важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τ_вос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока - заряд барьерной емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.

Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рисунок 2.28, в) и его можно не принимать во внимание.

Уменьшение емкостей достигается за счёт уменьшения площадей p-n переходов. Для уменьшения τ_вос диоды изготавливают так, чтобы ёмкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Допускаются мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).

По способу создания р-n переходов импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, меза- и планарно-диффузионные [7].

В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад приложенного напряжения (декада – изменение значения в 10 раз) представляет почти идеальную экспонициальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА[1]).

Большинство конструкций импульсных диодов имеет металлостеклянный или стеклянный корпус.

На рисунке 2.29 показана конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б, предназначенных для применения в сверхбыстрых действующих формирователях импульсов. Выпускаются диоды в стеклянном корпусе. Масса диода не более 0,2 г.

 

 

Рисунок 2.29 - Конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б

 

На рисунке 2.30 показана конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А, предназначенного для применения в импульсных схемах. Выпускаются диоды в металлическом корпусе с гибкими выводами. Диод обозначается на корпусе продольной полосой красного цвта. Масса диода не более 0,15 г.

 

Рисунок 2.30 - Конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А

Импульсные диоды обладают следующими основными параметрами:

1. Общая ёмкость диода С_д (доли nФ – несколько пФ)

2. Максимальная импульсное прямое напряжение U_{пр и max} (единицы В)

3. Максимально допустимый импульсный ток I_{пр и max} (сотни mA)

4. Время установления прямого напряжения t_уст – время от момента подачи импульса прямого тока до достижения заданного значения прямого напряжения на нём (доли нс – доли мкс). Это время Зависит от скорости движения внутрь базы инпретированных через переход неосновных носителей, в результате которого наблюдается уменьшене её сопротивления.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_вост (τ_вост.)

Изготовление р-n-переходов методом диффузии примесей значительно улучшает параметр t_вост.

Стабилитроны

Как было показано в пункте 1.3.5 вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рисунке 2.31 дана типичная вольт-амперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

 

 

Рисунок 2.31 - Вольтамперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые' напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.

Напряже­ние стабилизации U_ст может быть примерно от 3 до 200 В. изменение тока стабилитрона от I_min до I_max составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р_mах, рассеиваемая в стабилитроне, от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_д = Δu/Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напря­жения. Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивле­ние R_д от единиц до десятков Ом. Чем меньше R_д, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы R_д = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R₀ = и/ i . Сопротивление Rо всегда во много раз больше R_д.Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения и„ при изменении температуры на один градус, т. е.

 

ТКН=ΔU_ст/(U_стΔT) .                                            (2.10)

 

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного по­лупроводника. Стабилитроны на напряжения до 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п - р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то n-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рисунке 2.32. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R_огр.

 

Рисунок 2.32 - Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряже­ние источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_н постоянно. Для уста­новления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рас­считывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Если напряже­ние Е меняется от Е_min до Е_max, то можно R_огр найти по следующей формуле:

 

                              R_огр = (Е_ср – U_ст)/(I_ср + I_Н) ,                                   (2.11)

 

где Е_ср = 0,5 (Е_min - Е_max) - среднее напряжение источника; I_ср = 0,5 (I_min + I_max) - средний ток стабилитрона; I_н = U_ст / R_н - ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным.

                 

 

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное Е_max - Е_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором ещё сохраняется стабилизация, т. е. I_max - I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

 

ΔЕ≤( I_max - I_min) R_огр .                                                         (2.12)

 

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е возможна при увеличении R_огр. Но из формулы (2.12) следует, что большее R_огр получается при меньшем I_н, т. е. при большем R_н. Повышение Е_ср также дает увеличение Rогр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 - Включение добавочного резистора для понижения стабильного напряжения на нагрузке

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е= const, а R_н изменяется в пределах от R_{н min} до R_{н max}. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

 

                         R_огр=(E-U_ст)/(I_ср+ I_{н ср}) ,                                          (2.13)

где I_{н ср}=0,5 (I _{н min} - I _{н max}), при чём I _{н min}=U_ст/ R_{н max} и I _{н max}= U_ст/ R_{н min}.

 

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_огр постоянно и падение напряжения на нем, равное Е - U_ст, также постоянно, то и ток в R_огр, равный I_ср+ I_{н ср} должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рисунок 2.34). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

 

 

Рисунок 2.34 - Последовательное включение стабилитронов

 

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рисунок 2.35) в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение U_ст, нежели стабилитрон VD2.

 

Рисунок 2.35 - Каскадное включение стабилитронов

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации к_ст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рисунку 2.32 можно написать

 

 .                                         (2.14)

 

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить к_ст,
равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рисунок 2.35) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев (ячеек):

 

к_ст = к_ст1 к_ст2…                                                                (2.15)

 

и уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_огр велики, особенно в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабили­трон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_огр. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_огр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Конструкция стабилитронов очень незначительно отличается от конструкций выпрямительных диодов.

 

Стабисторы

Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряже­ние, а прямое. Значение этого напря­жения мало зависит от тока в некото­рых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно не­сколько стабисторов. Особенность ста­бисторов – отрицательный температур­ный коэффициент напряжения, т. е. на­пряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положи­тельный температурный коэффициент напряжения.

 

Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емко­сти, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специ­альных схемах, например в так назы­ваемых параметрических усилителях. На рисунке 2.36 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенцио­метра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную час­тоту контура. Добавочный резистор R₁ с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напря­жения замкнут накоротко катушкой L.

 

Рисунок 2.36 – Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

 

В качестве варикапов довольно ус­пешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже U_СТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

Туннельные диоды

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод из­готовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией приме­сей (10¹⁹ —10²⁰ см^-3), т.е. с очень ма­лым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обыч­ных диодах. Такие полупроводники с ма­лым сопротивлением называют вырож­денными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике полу­чается в десятки раз тоньше (10^-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещен­ной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вслед­ствие малой толщины перехода напря­женность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 10^б В/см.

В туннельном диоде, как и в обыч­ном, происходит диффузионное переме­щение носителей через электронно-ды­рочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет тун­нельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенци­ального барьера возможно проникно­вение электронов через барьер без изме­нения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в элект­рон-вольтах), совершается в обоих на­правлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свобод­ные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматри­вается как частица материи с отрицатель­ным зарядом), но оказывается вполне ре­альным в явлениях микромира, подчи­няющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двой­ственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электро­магнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенци­альный барьер, т. е. через область элект­рического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удоб­но рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны прово­димости в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности по­тенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон дру­гой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-воль­тах.

На рисунке 2.37 с помощью энергети­ческих диаграмм изображено возникно­вение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмот­рение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рисунке 2.37, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потен­циального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в ва­лентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично заня­тые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответству­ют уровням энергии, не занятым элект­ронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. По­этому возможен туннельный переход электронов из области n в область р (прямой туннельный ток i_пр) и из области р в область n (обратный туннельный ток i_o6p). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

 

 

Рисунок 2.37 – Энергетические диаграммы p-n-перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении

 

На рисунке 2.37, б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер пони­зился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход элект­ронов из области n в область р уси­ливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уров­ней, занятых электронами в зоне прово­димости области n. А переход электро­нов из валентной зоны области р в об­ласть n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток от­сутствует, и результирующий ток дости­гает максимума. В промежуточных слу­чаях, например когда u_пр = 0,05 В, су­ществует и прямой и обратный туннель­ный ток, но обратный ток меньше пря­мого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, по­лучающегося при u_пр = 0,1 В.

Случай, показанный на рисунке 2.37, в, соответствует u_пр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный пере­ход невозможен, так как уровням, за­нятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энерге­тические уровни, находящиеся в запре­щенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при боль­шем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возраста­нии прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях u_пр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше тун­нельного тока, а при u_пр > 0,2 В диф­фузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого то­ка обычного диода.

На рисунке 2.37, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение u_обр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимо­сти n-области. Поэтому резко возраста­ет обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика тун­нельного диода (рисунок 2.38) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает воз­растание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее уве­личение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннель­ного тока. Поэтому в точке Б полу­чается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для кото­рого характерно отрицательное сопро­тивление переменному току

 

R_i = Du/Di < 0.                                                (2.16)

 

После этого участка ток снова воз­растает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рисунке 2.38 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, не­жели у обычных диодов.

 

Рисунок 2.38 – Вольтамперная характеристика туннельного диода

 

Основные параметры туннельных диодов – ток максимума I_тах, ток ми­нимума I_min (часто указывается отноше­ние I_max/I_min, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение мак­симума U₁ напряжение минимума U₂, наибольшее напряжение U₃, соответ­ствующее току I_тах на втором восхо­дящем участке характеристики (участок БВ). Разность DU = U₃ – U₁ называется напряжением переключения или напря­жением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые до­ли вольта. К параметрам также отно­сится отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков Ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и мак­симальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).

Включая туннельный диод в различ­ные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать поло­жительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивле­ния туннельного диода можно уничто­жить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простей­шая схема генератора колебаний с тун­нельным диодом показана на рисунке 2.39.

 

 

Рисунок 2.39 – Простейшая схема включения туннельного диода для генерации колебаний

 

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC воз­никают свободные колебания. Без тун­нельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками « + » и «–» без кружков (знаки « + » и «–» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке характеристики ток возрастает, т. е. пройдет дополни­тельный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополни­тельная энергия достаточна для компен­сации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов че­рез потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки вре­мени: 10^-12-10^-14с, или 10^-3-10^-5нс. Поэтому туннельные диоды хорошо ра­ботают на сверхвысоких частотах. На­пример, можно генерировать и усили­вать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заме­тить, что частотный предел работы тун­нельных диодов практически определя­ется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным ди­одом показан на рисунке 2. 40. Для полу­чения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и R_н. Сопротивление R_H должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. Тогда при отсутствии входного напря­жения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падаю­щего участка (эта точка является пере­сечением линии нагрузки с характеристи­кой диода). При подаче входного на­пряжения с амплитудой U_{m вх} линия нагрузки будет «совершать колебания», перемещаясь параллельно самой себе.

Рисунок 2.40 – Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а) и график, поясняющий процесс усиления (б)

 

Крайние ее положения показаны штри­ховыми линиями. Они определяют ко­нечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряже­ний, получаем амплитуду выходного напряжения U_{m вых}, которая оказывается значительно больше амплитуды вход­ного. Особенность усилителя на тун­нельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими кас­кадами усиления. Усилители на тун­нельных диодах могут давать значитель­ное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется так­же в качестве быстродействующего переключателя, причем время переклю­чения может быть около 10^–9 с, т.е. около 1 нс, и даже меньше. Схема ра­боты туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рисунке 2.40, но только входное напря­жение представляет собой импульсы, а сопротивление R_H должно быть не­сколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рисунке 2.41 показана диаграмма ра­боты туннельного диода в импульсном режиме. Напряжение питания Е выбрано таким, что при отсутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается максимальным (I_mах), т. е. диод открыт. При подаче положитель­ного импульса входного напряжения прямое напряжение на диоде увеличи­вается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значения I_min, что ус­ловно можно считать закрытым состоянием диода. А если установить посто­янное напряжение Е, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряже­ния отрицательной полярности.

 

Рисунок 2.41 – Работа туннельного диода в импульсном режиме

 

Туннельные диоды могут приме­няться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннель­ных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению, а также ма­лое потребление энергии от источника питания. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены зна­чительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может приве­сти к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо пола­гать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупро­водник с концентрацией примеси около 10¹⁸ см^–3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рисунок 2.42). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому та­кой диод хорошо пропускает ток в об­ратном направлении. Подобные диоды, получившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

 

Рисунок 2.42 – Вольтамперная характеристика и условное графическое обозначение обращенного диода

 

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических гер­метичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые мате­риалы для них и проблемы замедления старения.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: