5. Элементы аналоговых схем. Лекция 9
advertisement
5. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ Школа Н.Ф. «ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА» «АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА» Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА» Лекция №9 2004 г. 5.2. Полупроводниковые диоды Диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами. В основе работы большинства полупроводниковых диодов лежат процессы, происходящие в р-п переходе, причем в реальных диодах, как правило, используются несимметричные р-п переходы. Электронно-дырочный переход является основным элементом диода, и ВАХ р-п перехода описывается выражением: qU d I d I S [exp kT IS –тепловой ток (ток насыщения), Id,Ud - ток и напряжение в р-п переходе 1 ] , Статическая математическая модель рп-перехода Графическое изображение полупроводникового диода (p-n-перехода) и его универсальная (линеаризованнаяная малосигнальная) модель по переменному току приведены на рис. 1. I + V RB Д iCB CB icd Cd rd id - + Ud iут Rc V Рис.1. Универсальная эквивалентная схема замещения диода 1RB – объемное сопротивление полупроводника (обычно 0< RB< 100 Ом); 2RC – омическое сопротивление утечки перехода ( RC > 1 М Ом); 3rd – нелинейное сопротивление, соответствующее p-n-переходу. Сопротивление диода rd описывается следующим выражением: dU d k T T rd , dI d qI d I S I d I S где IS – ток насыщения диода; q – заряд электрона, равный 1.6 10-19 Кл; k – постоянная Больцмана, равная1.38 1023 Дж/ K; T – абсолютная температура, К; 4.СB – нелинейная барьерная емкость перехода, определяемая выражением D CB n (VZ Ud ) пр и Ud VZ , . где D – коэффициент пропорциональности (0.5 10-12 < D < 5 10-12), VZ – контактная разность потенциалов (0.2 < VZ < 0.9 B); n – коэффициент качества перехода ( 0 < n < 1). 5. Cd – нелинейная диффузионная емкость перехода, значение которой зависит от тока перехода Id в соответствии с выражением q Cd ( I d I S ), 2 kT f ггде IS, q, k, T определены ранее, f означает присущую диоду граничную частоту ( 1 МГц < f < 10 ГГц). Динамическая математическая модель рп-перехода I i ут I d icd iCB , V I R U 0 , B d Ud i ут , Rc I d I S exp[ qU d / T , dU d icd C d , dt dU d iCB C B , dt q Cd ( I d I S ), 2 kT f D CB , n ( V Z U d ) ВАХ реальных диодов и р-п переходов близки друг к другу, но не одинаковы. Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в р-п переходе не учитывают: •сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу, •размеры кристалла и перехода. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением Rб, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем в р-п переходе. Учет размеров кристалла и перехода важен при анализе обратного тока диода. В реальных диодах необходимо учитывать, что обратный ток диода складывается из трех составляющих: •теплового тока Is, •тока термогенерации Iд, •тока утечки Iy. Температурная зависимость параметров и характеристик диодов • Температурный коэффициент напряжения диода dU мВ d dT 2 0 К . • Температурное изменение обратного тока Iобр. • Ge –диоды: удваивается на каждые 7-10 0С; • Si –диоды: удваивается на каждые 8-12 0С; Классификация диодов ДИОДЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ НЧ ВЧ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ Классификация диодов СПЕЦИАЛЬНЫЕ Стабилитроны(зенеровский пробой) Туннельные, обращенные Фотодиоды Светодиоды Варикапы и варакторы (емкость) СВЧ- диоды Многослойныединисторы Тиристоры Классификация диодов ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ Технология изготовления Сплавные Диффузионные Эпитаксиальные Конструктивное исполнение Плоскостные Точечные Система обозначений диодов: буквенно -цифровой код Буква: подкласс прибора Цифра: номер разработки Буква: параметр 1 2 3 4 5 элемент элемент элемент элементэлемент Полупроводниковы й материал: 1 или Г- Ge 2 или К- Si 3 или А – GaAs 4 или И – соедин. In Цифра: параметр, назначение, принцип 2 элемент подкласс прибора Д Выпрямительные, импульсные Ц Выпрямительные столбы В И А С Г Л О Н У Варикапы Туннельные СВЧ стабилитроны Генераторы шума Излучающие оптоэлектронные Оптопары Диодные тиристоры Триодные тиристоры УГО диодов Условное графическое обозначение выпрямительного полупроводникового диода и структура приведены на рис. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом. КД100 до 0,3А; КД200 от 0,3А до 10А; КД300 свыше 10А. Основные электрические параметры выпрямительных диодов, статические • падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока Iпр; • обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения Uобр; • среднее значение прямого тока Iпр.ср; • импульсное обратное напряжение Uобр.и. Основные электрические параметры выпрямительных диодов, динамические • время нарастания прямого тока tнар; • время рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода tрас; • время восстановления сопротивления; tвос обратного • предельная частота без снижения режимов диода fmах. t вос р I пр ln 1 I обр t рас 0.35 р р- время жизни неосновных носителей заряда в базе диода. В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества: • во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; • высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 В; • работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от —60 до +150 °С, германиевых — лишь от —60 до +85 °С. Диоды с барьером Шотки Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо pn-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-п-переходом по следующим параметрам: • более низкое прямое падение напряжения; • имеют более низкое обратное напряжение; • более высокий ток утечки; •почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления. Импульсные диоды КД400 Основными признаками, отличающими высокочастотные и импульсные диоды от других диодов, являются: КД500 • малое время жизни неравновесных зарядов; КД600 КД700 КД800 КД900 •малая площадь р-п перехода. Для уменьшения инерционности необходимо уменьшать: диодов •барьерные емкости; • время жизни неравновесных носителей заряда. Основные электрические параметры импульсных диодов • Параметры, связанные с вентильным эффектом, аналогичны параметрам выпрямительных диодов; • емкость диода Сд (единицы пФ); • максимально допустимый импульсный ток через диод; • максимальное импульсное прямое напряжение; • время восстановления обратного сопротивления диода (от долей наносекунд до долей микросекунд). Стабилитрон полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. КС156А Uст=5,6 В –стабилитрон; КС113 Uст=1,3 В - стабистор Основные электрические параметры стабилитронов • напряжение стабилизации Uст при токе Iст, • температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН; • Допустимая мощность Рст; • допустимый ток через стабилитрон Iст.доп; • дифференциальное сопротивление стабилитрона rд. Туннельный диод Диоды с высокой степенью легирования эмиттера и базы называют туннельными. Их ВАХ существенно отличаются от ВАХ обычных диодов: в туннельном диоде отсутствует вентильный эффект; в области небольших прямых напряжений на ВАХ имеется так называемый «падающий» участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. . 3И201И- 50мА; АИ301Г – 5 мА Основные электрические параметры туннельных диодов • пиковый ток максимума, • отношение тока пика к току впадины, • общая емкость в точке минимума. Варикап - это полупроводниковый диод, в котором используется барьерная емкость р-пперехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении. КВ117А- 26,4-39,6 пФ;Qс=180. Основные электрические параметры варикапов • его начальная емкость Со, • добротность Qc, • коэффициент перекрытия емкости Кс. по Фотодиод - это полупроводниковый диод, в котором используется открытый р-п-переход для генерации неосновных носителей (фототок) при обратном смещении. Светодиод - это полупроводниковый диод, в котором используется открытый р-п-переход для генерации светового излучения за счет рекомбинации электронов и дырок (фотонная рекомбинация). АЛ307Иоранжевый Тиристоры ОПТРОНЫ
