Основи електроніки (стр. 6 )

105 В/см, що діє в п - р-переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, отримуються при високій концентрації домішок. Напруга, тунельного пробою, не перевищує одиниць вольтів.

Області теплового пробою відповідає на рис. 2 ділянка ВГ. Тепловий пробій незворотній, оскільки він супроводжується руйнуванням речовини в місці п - р-переходу. Причиною теплового пробою є порушення стійкості теплового режиму п - р-переходу. Це означає, що кількість теплоти, що виділяється в переході від нагрівання його зворотним струмом, перевищує кількість теплоти, що відводиться від переходу. В результаті температура переходу зростає, опір його зменшується і струм збільшується. Настає перегрів переходу і його теплове руйнування.

2.2 Ємність напівпровідникових діодів.

п - р-перехід має ємність, подібну ємності конденсатора з двома обкладинками. Цю ємність називають бар'єрною ємністю. При постійній напрузі вона визначається

а при змінній напрузі –

Бар'єрна ємність, як і ємність звичайних конденсаторів, зростає при збільшенні площі п-р-переходу і діелектричної проникності напівпровідника і зменшенні товщини запираючого шару. Особливість бар'єрної ємності полягає в тому, що вона є нелінійною ємністю, т. е. змінюється при зміні напруги на переході. Якщо зворотна напруга зростає, то товщина замикаючого шару збільшується і ємність С6 зменшується. Бар'єрна ємність шкідливо впливає на випрямлення змінного струму, так як шунтує діод і через неї на більш високих частотах проходить змінний струм. Однак бар'єрна ємність буває і корисною. Спеціальні діоди (варикапи) використовують в якості конденсаторів змінної ємності для налаштування коливальних контурів, а також в деяких схемах, робота яких заснована на властивостях нелінійної ємності. На відміну від звичайних конденсаторів змінної ємності, в яких зміна ємності відбувається механічним шляхом, в варикапах ця зміна досягається регулюванням зворотної напруги. Таку настройку коливальних контурів називають електронною настройкою.

При прямій напрузі діод крім бар'єрної ємності має так звану дифузійну ємністю Сдиф, яка також нелінійна і зростає при збільшенні . Дифузійна ємність характеризує накопичення рухомих носіїв заряду в п-і р-областях при прямій напрузі на переході. Вона практично існує тільки при прямій напрузі, коли носії заряду у великій кількості дифундують (інжектується) через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в п-і р-областях. Ємність Сдиф, як завжди, при постійній напрузі являє собою відношення заряду до різниці потенціалів: при змінній напрузі

Рис.3

Дифузійна ємність значно більша бар'єрної, але використовувати її не вдається, гак як вона зашунтована малим прямим опором самого діода.

Маючи на увазі, що діод має ємність, можна скласти його еквівалентну схему для змінного струму (рис.3, а). Опір в цій схемі є сумарним, порівняно невеликим опором п-і р-областей і контактів цих областей з виводами. Нелінійний опір при прямій напрузі дорівнює, т. е. невеликий, а при зворотній напрузі т. е. він дуже великий.

2.3 Температурні властивості напівпровідникових діодів.

Рис.4

На електропровідність напівпровідників значний вплив має температура. При підвищенні температури посилюється генерація пар носіїв заряду, т. е. збільшується концентрація носіїв і провідність зростає. Тому властивості напівпровідникових діодів сильно залежать від температури. Це наочно показують вольт-амперні характеристики, зняті при різній температурі. На рис. 4 вони представлені для германієвого діода. Як видно, при підвищенні температури прямий і зворотний струми ростуть. Дуже сильно збільшується зворотний струм, що пояснюється підсиленням генерації пар носіїв. Для германієвих діодів зворотний струм зростає приблизно в 2 рази при підвищенні температури на кожні 10. У кремнієвих діодів при нагріванні на кожні 10 °С зворотний струм збільшується приблизно в 2,5 рази, а напруга електричного пробою при підвищені температури спочатку трохи зростає, а потім зменшується. Прямий струм при нагріванні діода зростає не так сильно, як зворотний. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає головним чином за рахунок домішкової провідності, а концентрація домішок не залежить від температури. З підвищенням температури дещо зростає бар'єрна ємність діода.

2.4 Робочий режим діода

Рис.5

В практичних схемах в ланцюг діода включається будь-яке навантаження, наприклад резистор (рис. 5, а). На схематичному зображенні напівпровідникового діода трикутник є анодом, риска - катодом. Прямий струм проходить тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода. Отже, трикутник потрібно розглядати як вістря стрілки, що показує умовний напрям прямого струму. Саме в цьому напрямку при прямому струмі рухаються дірки, а електрони рухаються в протилежному напрямку. Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод мав лінійний опір, то розрахунок струму в подібній схемі не був важким, так як загальний опір ланцюга дорівнює сумі опору діода постійного струму і опору навантажувального резистора. Але діод є нелінійним опором, і значення опору у нього змінюється при зміні струму Тому розрахунок струму роблять графічно. Завдання полягає в наступному: відомі Е, Rн і характеристика діода, потрібно визначити струм в ланцюзі і напруг на діоді. Характеристику діода слід розглядати як графік деякого рівняння, що зв'язує величини і і и А для опору Rн подібним рівнянням є закон Ома:

Отже, є два рівняння з двома невідомими и і і, причому одне з рівнянь дано графічно. Для розвязування такої системи рівнянь треба побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків Рівняння для опору R - це рівняння першого ступеня щодо и і і. Його графіком є пряма лінія, названа лінією навантаження. Простіше за все вона будується, по двох точках на осях координат. При і = 0 отримаємо: Е - і = 0 або и = Е, що відповідає точці А на рис. 3-6, б. А якщо и = 0, то Відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). Через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки Т дають розвязок поставленої задачі. Слід зазначити, що всі інші точки прямої АБ не відповідають будь-яким робочим режимам діода. При побудові лінії навантаження для порівняно малих Rн точка Б опиниться за межами креслення. В цьому випадку слід відкласти від точки А вліво довільну напругу U (рис. 5, в) і від отриманої точки В відкласти струм, рівний U/Rн (відрізок ВГ). Пряма, проведена через точки А і Г, буде лінією нагрузки.

Ланцюг з послідовно з'єднаними діодом і лінійним навантажувальним резистором Rн є нелінійним. Характеристику такого ланцюга, названу робочою характеристикою діода, т. е. графік залежності I = F(E), можна отримати підсумовуванням напруг для характеристик діода і навантажувального резистора Rн. Характеристика резистора Rн виражає закон Ома і є прямою лінією, що проходить через початок координат. Для побудови цієї прямої наносять на графік точку, відповідну певній напрузі і струму. Через цю точку і початок координат проводиться пряма.

Робочу характеристику ланцюга I = F(E) будуємо, складаючи для кількох значень струму напруги u і UR, так як Е = u + UR. Наприклад, при струмі 3 мА маємо: і = 0,4 В і UR = 0,5 В. Підсумовуючи ці напруги, отримуємо точку результуючої характеристики, відповідну Е = 0,9 В. Аналогічно знаходимо інші точки, і через них проводимо плавну криву.

Властивості послідовного ланцюга залежать головним чином від властивостей ділянки кола, що має більший опір. Тому чим більше опір Rн тим менше нелінійність результуючої характеристики. Слід зазначити, що графічний розрахунок робочого режиму діода можна не робити, якщо RH »R0. В цьому випадку допустимо знехтувати опором діода і визначати приблизно струм по формулі

Розглянуті методи розрахунку для постійної напруги Е можна використати для амплітудних або будь-яких миттєвих значень, якщо анодне джерело дає змінну напругу

2.5 Використання напівпровідникових діодів для випрямлення змінного струму