Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники

Подождите немного. Документ загружается.

стандартное (см. таблицу 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и

диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для

выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме.

Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80

С, кремниевые до 120-150

С,

арсенид-галлиевые до 150

С.

Основные параметры выпрямительных диодов:

обр,макс

–максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без

нарушения его работоспособности;

вып,ср

- средний выпрямленный ток;

пр,п

– пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и

формы импульса;

пр,ср

– среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

ср

– средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном

направлениях;

диф

– дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных

процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за

счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше,

чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С

максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого

напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения

прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента

прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения

(см. рис. 2.13).

Рис. 2.13

После изменения полярности напряжения в течение времени t

обратный ток меняется мало, он

ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей,

накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения

при полном рассасывании заряда в базе.

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное

обозначение отличается от стандартного (см. таблицу 2.1). В этом режиме при значительном

изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В)

стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них

более высокоомная база.

Основные параметры:

ст

– напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;

ст,мин

и I

ст,макс

– минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;

ст

– дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе

стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный -

положительным.

Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами,

которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое

же, как у выпрямительных диодов.

3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего

контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода

части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в

полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При

подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику,

потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они

очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение

составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение –

сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие

состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную

экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10

-10

…10

-9

А.

Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую

нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На

поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в

логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.

4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина

которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольт-

фарадная С( U ) (см.таблицу 2.1).

Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в

широких пределах барьерная емкость диода, причем

где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; - контактный потенциал; n =2 для резких

и n =3 для плавных p-n-переходов.

Основные параметры варикапа:

С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

- коэффициент перекрытия по емкости;

– суммарное активное сопротивление диода;

- добротность, определяемая при заданном значении емкости.

5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ,

обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок

характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на

усилительные, генераторные и переключательные.

Основные параметры:

и U

– пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

и U

– ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

- отношение тока впадины к пиковому току;

– диапазон напряжений падающего участка ( раствор).

– полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (см. рис.2.14,

представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и

напряжения на диоде).

Рис. 2.14

– резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и

индуктивности корпуса обращается в нуль;

- предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления

последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;

– шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;

– сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и

выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод,

физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его

рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным

сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение

и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь

обычного диода.

Таблица 2.1

Тип диода

Условное обозначение

Характеристика

Выпрямительный

Диод Шотки

Стабилитрон

Стабистор

Варикап

Туннельный диод

Обращенный диод

2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов

Принятая система обозначений полупроводниковых приборов отражает назначение, физические

свойства, материал полупроводника, конструктивно-технологические признаки и др.

В основе обозначений лежит буквенно-цифровой код, состоящий из пяти позиций. Ниже в таблице

2.2 представлены обозначения всех пяти позиций.

Таблица 2.2

Позиция

Обозначение

Буква или цифра исходного полупроводникового материала:

Г или 1 – германий или его соединения;

К или 2 – кремний или его соединения;

А или 3 – соединения галлия;

И или 4 – соединения индия

Буква - подкласс приборов:

Д – диоды выпрямительные и импульсные;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитроны;

Г – генераторы шума;

Л – излучающие оптоэлектронные приборы;

О – оптопары.

Цифра – функциональные возможности.

Подкласс Д:

1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением

прямого тока не более 0,3 А;

2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением

прямого тока не свыше 10 А;

3 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления более 500 нс;

4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления в пределах 150…500 нс;

5 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления в пределах 30…150 нс;

6 – импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления в пределах 5…30 нс;

7 - импульсные диоды с временем восстановления обратного

сопротивления в пределах 1…5 нс;

8 – импульсные диоды с эффективным временем жизни

неосновных носителей заряда менее 1 нс.

Подкласс Ц:

1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не

более 0,3 А;

2 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока

0,3…10 А;

3 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока не

более 0,3 А;

4 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока

0,3…10А.

Подкласс В:

1 – подстроечные варикапы;

2 – умножительные варикапы.

Подкласс И:

1 – усилительные туннельные диоды;

2 – генераторные туннельные диоды;

3 – переключательные туннельные диоды;

4 – обращенные диоды.

Подкласс А:

1 – смесительные диоды;

2- детекторные диоды;

3 – усилительные диоды;

4 – параметрические диоды;

5 – переключательные и ограничительные диоды;

6 – умножительные и настроечные диоды;

7 – генераторные диоды;

8- импульсные диоды.

Подкласс С:

1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

2- стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10…100 В;

3 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более100 В;

4 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В;

7 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации менее 10 В;

8 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации 10…100 В;

9 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным

напряжением стабилизации более 100 В.

Подкласс Г:

1 – низкочастотные генераторы шума;

2 – высокочастотные генераторы шума.

Число – порядковый номер разработки.

Обычно используются двузначные числа от 01 до 99; если

порядковый номер превышает число 99, то применяют

трехзначное число от 101 до 999.

Буква – классификация по параметрам (квалификационная

литера). Применяют буквы русского алфавита, кроме букв З, О, Ч,

Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э.

Дополнительные

символы

Цифры: 1…9 – для обозначения модификаций прибора,

приводящих к изменению его конструкции или электрических

параметров;

Буква С – для обозначения сборок – наборов в общем корпусе

однотипных приборов, не соединенных электрически или

соединенных одноименными выводами;

Цифры, написанные через дефис – для обозначения следующих

модификаций конструктивного исполнения бескорпусных

приборов:

-1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя;

-2 –с гибкими выводами на кристаллодержателе;

-3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя;

-4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе;

-5 – с контактными площадками без кристаллодержателя и без

выводов;

-6 – с контактными площадками на кристаллодержателе без

выводов.

Пример: ЗИ309Ж – арсенид-галлиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09,

группа Ж.

Для обозначений диодов, выпущенных до 1982 года, использовалась двухэлементная система:

первый элемент для диодов буква Д , второй – число (или номер):

1…100 – точечные германиевые диоды,

101…200 – точечные кремниевые диоды,

201…300 – плоскостные кремниевые диоды,

301…400 – плоскостные германиевые диоды,

401…500 – смесительные СВЧ детекторы,

501…600 – умножительные диоды,

601…700 – видеодетекторы,

701…749 – параметрические германиевые диоды,

750…800 – параметрические кремниевые диоды.

2.4 Тиристоры

2.4.1Устройство тиристора

Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном

направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют

полупроводниковым управляемым вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой

крючок" - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он

используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением.

Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:

 тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на

управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем

не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить

специальные условия;

 управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое,

значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в

несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;

 средний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно

регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при

этом является регулятором мощности.

Основная схема тиристорной структуры представлена на рис. 1. Она представляет собой

четырѐхполюсный p-n-p-n прибор, содержащий три последовательно соединѐнных p-n перехода J1,

J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом.

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырѐхслойная p-n-p-n структура b) Диодный тиристор с)

Триодный тиристор.

В общем случае p-n-p-n прибор может иметь два управляющих электрода (базы), присоединенных к

внутренним слоям. Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором (или

динистором или диодом Шокли). Прибор с одним управляющим электродом называют триодным

тиристором или тринистором (или просто тиристором!).

2.4.2 Вольт-амперная характеристика тиристора

Сначала рассмотрим типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ) тиристора, изображенную

на рис. 3.

Рис. 3