Тема 4. Компоненти електронних кіл

1 Напівпровідникові діоди

Електронні кола є частинним видом електричних кіл і відрізняється лише спеціальними комонентами, функціонування яких зумовлюється певними електронними ефектами. Ці ефекти можуть викликатися термоелектронною емісією, процесами на контактах (переходах) різнотипних провідників тощо. Важливо, що за допомогою компонент електронних кіл можна збільшувати енергію електричних сигналів. Здебільшого електронні компоненти є багатополюсними, тобто для їхнього аналізу зручно використовувати підходи, описані в § 2.4 та § 2.5. Однак іноді вдається замінити конкретну багатополюсну електронну компоненту деяким з’єднанням класичних двополюсних компонент (заступними схемами), описаних в § 2.2 цього підручника, які, як правило, містять керовані джерела енергії.

Зазначені особливості електронних кіл опишемо більш детальніше.

 

1. Напівпровідникові діоди

 

Напівпровідниковими діодами називають напівпровідникові прилади, основою яких є контакт напівпровідників різних типів, які мають два виводи. Як контакт використовують звичайний p-n-n – перехід, гетероперехід або бар’єр Шотткі. Усі напівпровідникові діоди можна поділити на дві групи: загального та спеціального призначення.

Опір діода залежить від напрямку струму, що протікає через нього.

Діоди загального призначення, завдяки здатності прoпускати струм в одному напрямі і не пропускати в протилежному використовують переважно для випрямлення змінного струму. Діоди, призначені для випрямлення змінного струму низької частоти, називають випрямними діодами. Діоди, які призначені для випрямлення змінних струмів високої частоти, називають високочастотними діодами. До діодів загального призначення також належать імпульсні діоди, які використовують в імпульсних та цифрових пристроях.

Діоди спеціального призначення ґрунтуються на використанні особливих фізичних властивостей, які проявляються в p-n – переходах, а саме: явищі електричного пробиття, наявності бар’єрної ємності, тунельному ефекті тощо. До них належать стабілітрони, варикапи, тунельні діоди тощо.

Схемні позначення діодів різного призначення подано на рис. 3.1. Вивід діодів, під’єднаний до p-області, називають анодом, а вивід, під’єднаний до n-області – катодом.


Рис. 3.1. Схемні позначення діодів: загального призначення (а), стабілітронів (б), варикапів (в), тунельних діодів (г)

 

Зауважимо, що ВАХ діодів дещо відрізняються від ВАХ ідеального p-n – переходу. Їхній вигляд залежить від типу напівпрoвідникового матеріалу, площі поперечного перерізу p-n – переходу, концентрації домішок тощо. У разі прямого вмикання діодів істотний вплив на хід характеристики має падіння прикладеної напруги в p- і n-областях, а особливо в базовій області, опір якої RБ може дорівнювати десяткам Ом. З урахуванням цього пряму гілку ВАХ часто описують формулою:

                                                        ,                                                     (3.1а)

або

                                                                                                   (3.1б)

де u - напруга, прикладена до діода; Io – тепловий струм або зворотний струм насичення; фт – тепловий потенціал p-n – переходу.

Типи напівпровідникових діодів: випрямні, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, варикапи, тунельні.

У разі зворотного вмикання зворотний струм діодів дещо більший від зворотного струму p-n – переходу внаслідок теплової генерації носіїв заряду в самому p-n – переході, а також за рахунок струмів витоку, що виникають на поверхні p-n – переходу. Як приклад на рис. 3.2 подано реальні ВАХ кремнієвого та германієвого діодів, відмінність прямих гілок яких пояснюється різними потенціальними бар’єрами германієвого та кремнієвого p-n – переходів, а зворотних – різними ширинами заборонених зон.


Pис. 3.2.  Bольт-амперні характеристики германієвого та кремнієвого діодів

Випрямні діоди – це діоди, за допомогою яких перетворюють змінний струм електромережі на постійний. До цих діодів не ставлять підвищених вимог стосовно швидкодії, ємностей p-n – переходу і стабільності параметрів. Матеріалом для виготовлення випрямних діодів останнім часом є кремній, оскільки кремнієві діоди завдяки більшій ширині забороненої зони мають значно менші зворотні струми, а також ширший діапазон робочих температур, ніж германієві. Для збільшення напруги пробиття випрямних діодів застосовують випрямні стовпи, які конструктивно складаються з декількох послідовно увімкнених кремнієвих p-n – переходів в одному корпусі.

Основними параметрами випрямних діодів є:

– найбільше допустиме значення випрямленого струму за період Iвип.макс;

– пряме падіння напруги Uпр на діоді під час протікання через нього заданого випрямленого струму;

– найбільша зворотна напруга Uзв.макс, яка може бути тривалий час прикладена до діода в зворотному напрямі без виникнення небезпеки його пробиття;

– найбільший зворотний струм Iзв.макс, який протікає через діод під час прикладення до нього допустимої зворотної напруги;

– найбільша допустима потужність розсіювання Pрозс.макс, за якої забезпечується нормальне функціонування приладу.

Діоди використовуються для випрямлення змінного струму, модуляції та детектування сигналів, стабілізації напруги електронного керування частотою, генерування змінних сигналів.

Високочастотні діоди  – напівпровідникові прилади універсального призначення, які можуть бути використані для випрямлення, детектування та інших нелінійних перетворень електричних сигналів у діапазоні високих частот. Їх виготовляють на основі звичайних p-n – переходів, гетеропе­реходів або бар’єрів Шотткі.

Найпростіші високочастотні діоди виготовляють точковими з германію або кремнію, що дає змогу отримати ємність p-n – переходу, не більшу, ніж 1 пФ. Проте такі діоди внаслідок малої площі поперечного перерізу p-n – переходу не можна використовувати у схемах, розрахованих на великі струми і напруги.

У надвисокочастотних схемах (десятки – сотні гігагерц) застосовують високочастотні діоди, побудовані на основі бар’єра Шотткі, в яких дифузійна ємність відсутня, а бар’єрна не перевищує 0,1 пФ.

Високочастотні діоди описують аналогічними параметрами, як звичайні випрямні діоди. Додатково для них вказують прохідну ємність Cпр, яка за своєю суттю є статичною ємністю діода, виміряною між його виводами, та найвищу робочу частоту fмакс.

Імпульсні діоди – це напівпровідникові прилади, які призначені для роботи в імпульсних режимах, що використовуються в імпульсних та цифрових схемах. У таких режимах через проміжки часу, що становлять одиниці – частки мікросекунди, діоди перемикаються з відкритого стану в закритий та навпаки. Кожний новий стан діода не може встановлюватись раптово. Причиною цього є ємності електричних переходів, а за високих рівнів інжекції – накопичення та, відповідно, розсмоктування неосновних носіїв зарядів під час перемикань діодів. У зв’язку з цим для імпульсних діодів, виготовлених на основі p-n-переходів, важливими є не тільки малі ємності переходів, але й тривалості перехідних процесів, зумовлені ви­щезгаданими явищами. Для швидкодіючих імпульсних діодів ці тривалості дорівнюють 0,1…10 мкс, а для надшвидкодіючих – 0,1 мкс.

Для побудови швидкодіючих імпульcних діодів з малими тривалостями перехідних процесів використовують гетеропереходи та бар’єри Шотткі, в яких відсутні вищезгадані процеси накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду і тривалості перемикання струмів та напруг визначаються лише бар’єрними ємностями.

Стабілітрони – це напівпровідникові діоди, побудовані на основі звичайних p-n – переходів, принцип роботи яких ґрунтуються на тому, що при зворотному вмиканні p-n – переходу напруга в області електричного пробою у разі значних змін струму залишається майже постійною. У радіоелектронних пристроях ці діоди використовують для стабілізації напруг, як джерела опорних напруг, для обмеження імпульсів тощо. Пробивна напруга p-n – переходу для них є робочою напругою і називається напругою стабілізації. Якщо значення зворотного струму обмежити, щоб електричне пробиття не перейшло в теплове, то стан електричного пробиття переходу можна підтримувати і відтворювати протягом тривалого часу. Як вихідний матеріал для виготовлення стабілітронів використовують кремній, який має ширшу заборонену зону і теплове пробиття настає за значно більших струмів, ніж у германієвих.

Основною характеристикою стабілітрона є ВАХ напівпровідникового діода в області пробиття (рис. 3.3).


Рис. 3.3.  ВАХ напівпровідникового діода в області пробиття

 

До його основних параметрів належать: номінальна напруга стабілізації Uст.ном, яка відповідає напрузі середньої точки робочої ділянки ВАХ (відрізка АВ); мінімальний та максимально допустимий струми стабілізації: Іст.min та Іст.max; диференційний опір стабілітрона r=Duст/Diст), який відображає нахил робочого відрізка ВАХ; температурний коефіцієнт напруги стабілізації ТКU, який характеризує відносну зміну напруги стабілізації у разі температури на один градус: ТКU=(Duст/uст)/DTo, якщо iст=const. У стабілітронах з низькими uст, в яких механізм електричного пробиття тунельний, коефіцієнт TKU від’ємний, при високих uст, в яких механізм пробиття є лавинним, ТКU додатний.

Варикап в електронних колах використовують як конденсатор, ємність якого можна змінювати, змінюючи напругу, прикладену до нього.

Варикапи – це напівпровідникові діоди, виготовлені на основі p-n – переходів, принцип роботи яких ґрунтується на використанні бар’єрної ємності p-n – переходу при його зворотному вмиканні. Дифузійну ємність, яка є значно більшою, використовувати не можна, оскільки вона проявляється у разі прямого вмикання p-n – переходу, коли його провідність є дуже великою, а отже, добротність такого конденсатора буде дуже малою.

Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика p-n – переходу, яка відображає залежність бар’єрної ємності від зворотної напруги (рис. 3.4).


Рис.3.4.  Вольт-фарадна характеристика p-n – переходу

 

До основних паpаметрів варикапа належать: мінімальна та максимальна ємності Сmin і Сmax; коефіцієнт перекриття ємності kc=Cmax/Cmin, добротність Qв.

Варикапи широко використовують для електронного настроювання коливальних контурів у високочастотних вузлах радіоапаратури, в генераторах, у модуляторах, у параметричних підсилювачах тощо.

Тунельні діоди – це напівпровідникові діоди, виготовлені на основі p-n – переходів, в яких використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду через p-n – перехід і ВАХ яких має ділянку з від’ємним диференційним опором.

Тунельний діод є нелінійним резистивним елементом, динамічний опір якого за певної напруги стає від’ємним.

Тунельні діоди  виготовляють з таких напівпровідникових матеріалів, які мають підвищену концентрацію домішок. Товщина p-n – переходу стає в сотні разів меншою, ніж у звичайних діодів. Іншим наслідком великої концентрації домішок є те, що носії заряду можуть переходити (тунелювати), з однієї області в іншу без затрат енергії .

За невеликої прямої напруги, прикладеної до тунельного діода, починається тунельний перехід електронів з n-області в p-область і через p-n – перехід потече тунельний струм. За деякого значення прямої напруги на тунельному діоді тунельний струм буде максимальним. Подальше збільшення прямої напруги на діоді призведе до зменшення тунельного струму, оскільки буде зменшуватись кількість електронів, здатних тунелювати з n-області в p-область.

За деякої прямої напруги UВ тунелювання електронів припиниться. У цьому разі струм буде мінімальним і визначатиметься лише переходом носіїв заряду через потенціальний бар’єр, який значно понизився (тобто, як у звичайному діоді, за рахунок інжекції носіїв заряду). З подальшим збільшенням прямої напруги, у зв’язку із зменшенням висоти потенціального бар’єра інжекція носіїв заряду через p-n – перехід, і, відповідно, струм діода, будуть зростати.

За зворотної напруги в тунельному діоді знову виникнуть умови для тунелювання електронів. При збільшенні зворотної напруги тунелювання електронів з p-області в n-область, а також і зворотний струм тунельного діода зростатимуть.

ВАХ тунельного діода показана на рис. 3.5 Її особливістю є те, що вона має спадну ділянку АВ, на якій диференційний опір діода є від’ємним.

 

Рис.3.5 ВАХ тунельного діода

 

До основних параметрів тунельних діодів належать:

– піковий струм IП – прямий струм у точці максимуму вольт-амперної характеристики;

– напруга піка UП – пряма напруга, яка відповідає піко­вому струмові;

– напруга западини UВ – пряма напруга, яка відповідає мінімальному струмові;

– напруга розкривання UРР – пряма напруга на другій зростаючій гілці при струмі, який дорівнює піковому;

– ємність Cд – сумарна ємність, виміряна між виводами діода.

1.      Важливою перевагою тунельних діодів перед звичайними напівпровідниковими приладами є те, що вони можуть працювати на доволі високих частотах, бо тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво – за 10-13с. Крім того, в тунельних діодах, що працюють при напругах, за яких спостерігається тунельний ефект, накопичення неосновних носіїв заряду і, відповідно, їхнє розсмоктування відсутні. У зв’язку з цим тунельні діоди можуть працювати на частотах до сотень гігагерц (міліметровий діапазон радіохвиль). Верхня межа частотного діапазону роботи тунельних діодів обмежена лише паразитними параметрами – власною ємністю Cд, основу якої становить бар’єрна ємність p-n – переходу, та індуктивністю L виводів.