69015

Р-п структури різного призначення. Випрямні властивості р-n переходу

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Їх виготовляють за сплавною або дифузійною технологією. Конструкції малопотужних сплавних і дифузійних діодів однакові. До кристалу з р-n переходом припаюють виводи і розміщують у корпусі на кристалодержаку. Вивід емітера ізольований від корпусу, вивід бази зв’язують з корпусом...

Украинкский

2014-09-28

267 KB

0 чел.

6. Р-п структури різного призначення

  1.  Випрямні  властивості р-n переходу

Робота випрямного р-n переходу заснована на його властивості р-n переходу пропускати струм тільки у одному напрямі. Цій властивості відповідає ВАХ, яка зображена на рис. 5.7.

Рис. 6.1. ВАХ напівпровідникового діоду (Знаходження диференціального опору діоду).

Випрямні властивості р-п переходу реалізуються у випрямних діодах.

Їх виготовляють за сплавною або дифузійною технологією. Конструкції малопотужних сплавних і дифузійних діодів однакові. До кристалу з р-n переходом припаюють виводи і розміщують у корпусі на кристалодержаку. Вивід емітера ізольований від корпусу, вивід бази зв’язують з корпусом (рис. 6.2.).

Рис. 6.2. Конструкція малопотужного діоду.

У потужних діодів н/п кристал монтується на масивній тепловідвідній пластині з плоскою зовнішньою поверхнєю для забезпечення надійного теп- лового контакту з зовнішнім тепловідводом. Потужні діоди монтують на металевих радіаторах з доброю теплопровідністю, інколи використовують обдувне охолодження. Для забезпечення великих стру-мів  випрямні діоди мають велику площу р-n переходу. Для забезпечення великих зворотніх напруг база легується слабо, що призводить до розширення р-n  переходу, але при цьому зростає опір бази і зменшується прямий допустимий струм.

Температура суттєво випливає на ВАХ переходу. З ростом температури збільшується кількість електроннодіркових пар і відповідно прямий і зворотній струми ( рис. 6.3 ).

Рис. 6.3.  Вплив температури на ВАХ діоду.

Але питома вага впливу температури на струми різна. На великий прямий струм ( струм основних носіїв ) температура впливатиме мало, а на малий зво-ротній струм ( струм неосновних носіїв ) суттєво. Він різко збільшується – у  2 раза на кожні 100 С. В області п збільшується власна концентрація електронів nі, а відповідно і концентрація неосновних носіїв заряду рn. Аналогічно в області р збільшується концентрація неосновних носіїв пр.

рn =                 nр =

Збільшення зворотного струму означає, що з ростом температури випрям-ні властивості  р-n  переходу погіршується. Тому у практичних схемах необхідно здійснювати заходи, які зменшують погіршення властивостей н/п з ростом температури.

Параметри випрямних діоді.

Uпр – падіння напруги у прямому напрямі при заданому значенні прямого струму Іпр;

Uзв – падіння напруги у зворотному напрямі при заданому значен-ні зворотного струму Ізв;

Rдиф – диференціальний опір (рис. 6.4)

Rдиф = ;

 Імакс – максимальне значення прямого струму;

 Uзв макс – максимальне значення зворотної напруги;

 Рмакс – максимальна допустима потужність, яка розсіюється;

 f – діапазон частот

                                                                                  

Схеми підключення випрямних діодів

Існує велика номенклатура випрямних діодів зі струмами до кількох сотень Ампер і зворотною напругою до  1000 В.

При необхідності випрямлення великих напруг використовуються послі- довне з’єднання кількох діодів. При цьому прикладена напруга ланцюга не буде дорівнювати сумі допустимих напруг окремих діодів. Це пов’язано з наявністю розкиду зворотного опору, що призводить до не однакового розподілу падіння напруги між діодами ланцюга і, як наслідок, до пробою один за одним всіх діодів.

Для усунення цього негативного явища діод шунтують високоомним резистором порядку 100 кОм. Паралельно резистору підключають кондесатори ємність яких у кілька разів більша ємності діода. Отриманний подільник ємності вирівнює динамічний розподіл напруг між діодами ( рис. 6.4 ),

                                       R =                         

                                            При  Uзв = 400В        

                                              R =

Рис. 6.4. Схема послідовного підключення діодів

Якщо значення випрямного струму перебільшує межове значення струму одного діода, застосовують паралельне підключення однотипних діодів. При цьому для випрямлення струмів діода послідовно з кожним з них підключають резистор R з невеликим опором. ( рис.6.5 )

Рис. 6.5. Схема паралельного підключення діодів

На основі цих схем виготовляють потужні високовольтні випрямні блокиф.  

Як відомо ВАХ діода нелінійна. Для визначення струму через діод і напруги на ньому застосовують графоаналітичний метод ( рис. 6.7)

                                        Е = IдR + Uд 

                                                          Ід =

Рис. 6.6. Графічний розрахунок ланцюга з діодом

Точка перетину ВАХ та  лінії навантаження визначає значення напруги на діоді Uд і струм через нього Ід.

Застосування випрямних діодів в апаратурі телекомунікацій

Найбільше застосування мають сплавні силіцієві діоди. В потужних низьковольтних випрямних блоках знаходять застосування германієві діоди, тому що на них падає менша напруга, ніж  силіцієвих діодах.

Проста схема випрямлення наведена на рис. 5.14.

Рис. 6.7.  Схема випрямляча

З появою на вході змінної напруги u(t) через діод, а відповідно і опір навантаження  Rн  буде проходити прямий імпульсний струм. Для згладжування імпульсів застосовують конденсатор С, який при позитивній напрузі на емітері заряджається, а при негативній розряджається через опір  Rн. Ємність конденсатора обрана великою, тому напруга Uс зміниться мало. Тоді

ІR =

Інколи використовується двонапівперіодна схема на 4-х діодах. Можливості випрямного діода характеризуються допустимими прямим струмом і зворотною напругою.

Ефект зміни диференціального опору діода з зміною напруги використовується у схемі автоматичного регулювання підсилення (АРП) радіоприймача. Таке регулювання необхідне для того, щоб амплітуда вихідного сигналу радіоприймача не залежала від амплітуди  вхідного сигналу. Це досягається використанням діодно-резисторних подільників  у склад яких входять високочастотні діоди.

Рис. 6.8.

Підключення такої схеми між каскадами приймача наведено на рис.6.9.

Рис. 6.9.

 На діод подається напруга – Uр, значення якої залежить від амплітуди сигналу, який діє на вхід приймача. Ця напруга змінює диференційний опір діода rдиф, що призводе до зміни напруги на виході.

6.2.  Робота н/п структур в схемах стабілізацій напруги

Принцип роботи.

Робота н/п стабілітрона заснована на розглянутому раніше оборотному електричному пробої, який полягає у різкому зростанні зворотного струму. Значення напруги, при якій виникає зворотній пробій, залежить від товщини переходу. Для того щоб пробій не перейшов у тепловий, струм стабілітрона обмежують підключенням послідовно з ним резистора. Н/п стабілітрони виготовляють із силіціцю, тому що у германієвих діодів пробій легко переходить у тепловий. У силіцієвих при виготовленні стабілітронів у пластину n-типу вплавляють алюміній (акцептор). Концентрацію електронів в базі роблять великою, тому вона має низький опір, що створює умови для швидкого розвитку пробою при відносно низьких зворотних напругах.

Таким чином, н/п стабілітрон – це н/п діод, нормальним режимом роботи якого є оборотний ( електричний ) пробій р-n переходу.

ВАХ стабілітрона і її основні параметр

В прямому напрямі ВАХ стабілітрона не відрізняється від характеристики випрямного діода. В зворотному напрямі вона має вид майже вертикальної лінії (рис. 6.10), що забезпечує малу зміну напруги на стабілітроні при великій зміні струму. Ця властивість стабілітрона і дозволяє використовувати його для стабілізації напруги.

Рис. 6.10.

У стабілізаторах напруги послідовно з стабілітроном для обмеження струму підключають резистор R0. На вхід ( Uвх ) подається напруга, яку треба стабілізувати. Стабілізована  напруга буде на виході схеми, тобто на резисторі навантаження Rн. ( рис. 6.11)

Рис. 5.18. Схема стабілізатора напруги

Із рис.5.18  бачимо, що

Uвих = Uн = Uст,          а Uвх = Uн + UR

Таким чином, схема підключення стабілітрона є подільником напруги, який складається з резистора R0 та стабілітрона VD.

Розглянемо принцип стабілізації. Нехай напруга Uвх збільшилася на Uвх. Загальний струм, який проходе через резистор R0 і стабілітрон зросте. Виникає перерозподіл падіння напруг на цих елементах. На стабілітроні і відповідно, на резисторі навантаження напруга змінюється незначно, а зміна вхідної напруги Uвх компенсується падінням напруги на резисторі R0 

Характеристика навантаження будується за рівнянням

Іст =

Це рівняння прямої лінії, яка проходить точками А( Іст,Uст ) та В( Uвх, Іст=0 ) Робоча точка буде на перетині ВАХ та лінії навантаження. При зміні вхідної напруги на Uвх відповідна зміна Uст буде малою.

Дамо оцінку впливу параметрів стабілітрона та значень резисторів схеми на якість стабілізації напруги.

Uвх = Uст + R0 (Ін + Іст ) = Uст + R0 ( )

При зміні вхідної напруги

Uвх = Uст + R0 ( ) = Uст ( 1+ )

Uст =

Таким чином, для ХХХХХХХ Uст необхідно обирати більший опір R0 та стабілітрон з більшим Rдиф.

Основні параметри силіцієвих стабілітронів наведено в табл. 6.1.

Таблиця 6.1.

Назва параметру

Фізичний зміст

Напруга стабілізації

Ucт = 0,3...200В

Uст – напруга на стабілітроні при номінальному значенню струму.

Мінімальний струм стабілізації

Іст мін=50...100 мкА

Іст – значення  струму  через стабілітрон при якому виникає тепловий пробій.

Максимальний струм стабілізації

Iст mах = десятки мА

Iст mах – значення струму через стабілітрон, при якому потужність, яка розсіюється на стабілітроні не перевищує допустимі значення.

Динамічний (диференціальний) опір

Rдиф =

Rдиф – одиниці десятки Ом

Rдиф – відношення прирощення напруги на стабілітроні до прирощення струму в режимі стабілізації

Максимальна потужність розсіювання

Рст max = UcтIст mах

Рст max – найбільша потужність, яка виділяється в р-n переході, при якій не виникає тепловий пробій

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації

ТКИ =

ТКИ – відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури середовища

6.3.ВАРІКАПИ

На властивості р-n переходу змінювати значення бар′єрної ємності при зміні зворотної напруги базується робота варікапа.

Варікап – це н/п діод, який застосовується як електричний конденсатор, ємність якого регулюється напругою.

Основне призначення варікапів - електронна настройка коливальних контурів підсилювачів, генераторів, модуляторів, фазообертачів та інш.

6.3.1. Схеми підключення варікапів

Рис. 6.12. Схема включення варікапа

На рис. 6.12. варікап CВ підключається паралельно до LC-контуру. Управління ємністю варікапа здійснюється постійною напругою U, яка знімається з потенціометра R2.

Конденсатор CР служить для того, щоб індуктивність L не закорочувала варікап по постійному струму. Ємність конденсатора CР на ємність контуру не впливає, оскільки CР>>CВ.

Резистор R1 – високоомний, він служить для того, щоб джерело постійної напруги управління не шунтувало варікап.

Розглянута схема має недолік – змінна напруга контура прикладається до варікапу, змінюючи його ємність. Це призводить до розстроювання контура. Щоб позбавитись цього недоліку використовують іншу схему , де ставлять два варікапи, підключені послідовно, назустріч один одному (рис.6.13). 

Рис.6.13. Схема включення варікапів

В такій схемі при будь-якій зміні напруги на контурі ємність одного варікапа збільшується, а другого – зменшується, загальна ж ємність не змінюється. По постійній напрузі варікапи підключені паралельно, тому обидва управляються однаковою напругою управління.

Варікапи можуть застосовуватися також для модуляції сигнала. в цьому випадку сигнал модуляції подається на виводи варікапа, і за його законом буде змінюватись амплітуда коливання.

Різновидом варікапів є варактори та параметричні діоди. Варактори – це високочастотні варікапи, які мають ємність не більше 1 пФ. Вони використовуються в помножувачах частоти, дільниках, параметричних підсилювачах.

6.3.2.Параметри варікапів

Параметри варікапів наведено в таблиці 6.2. Їх можна показати на ВАХ (рис. 6.15.).

Таблиця 6.2.

Назва параметру

Фізичний зміст

Номінальна ємність СНОМ

(десятки, сотні пФ)

Ємність між виводами при номінальній напрузі зміщення (UНОМ)

Максимальна ємність СМАКС

Ємність при заданій мінімальній напрузі зміщення (UМІН)

Мінімальна ємність СМІН

Ємність при заданій напрузі зміщення (UМАКС)

Коефіцієнт перекриття КС=

(десятки)

Відношення максимальної ємності   до мінімальної

Добротність QБ=; QБ=

Відношення реактивного опору варікапа до повного опору при номінальній частоті.

Максимально допустима напруга UМАКС

Максимальне миттєве значення змінної напруги, яка забезпечує заданну надійність

Температурний коефіцієнт ємності

ТКЕ=,

Відношення відносної зміни  ємності при заданій напрузі до її абсолютної зміни температури навколишнього середовища

максимальна допустима потужність

РМАКС

Максимальне значення потужності, розсіювання на варикапі, при якій забезпечується задана надійність

Частотний діапазон використання варикапа обмежується його добротністю QБ, яка не повинна бути менше добротності коливного контуру , в якому він встановлений. Добротність варикапа залежить від частоти. Схеми заміщення варикапа в різних діапазонах частот наведено на рис. 6.14.

На НЧ Q = ω СБАР rn

         На ВЧ Q =

Рис. 6.14.  Схеми заміщення варікапа:

а- на низькій частоті; б – на високій частоті

рис. 6.15. Параметри варикапа.


В

U(t)

Uд

Т2

Т1

І

U

T2>T1

Iзв max

Uзв max

ΔI

I

U

ΔU

С1

С2

R1

2

VD2

VD1

R1

VD1

R2

VD2

R3

VD3

0

U

I

ВАХ

Ід

Е

Uд

Лінія навантаження

Е

+

-

R

Ід

VD

VD1

Rн

Uc

IR

U

t

iR

t

rдиф

R

rдиф

R

E

Up

Iмакс

Iст =

Iмін

ΔUст

Uст

Uвх

Uвх + ΔUвх

А

Uпр

Uзв

UR

Іст

Ін

R0

Rн

Uвих

ΔUвх

Uвх 

VD

CР

CВ

L

R1

R2

C

U

L

CВ1

R1

R

U

CВ2

CБАР

CБАР

rn

rБ

а

б

Сб

Смакс

Сном

Смін

0

Uмін

Uном

Uмакс

Uзв


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75757. Понятие о взрыве паров и газов. Степень взрывоопасности газовоздушной смеси 13.99 KB
  Степень взрывоопасности газовоздушной смеси. Взрывоопасную среду могут образовать смеси веществ газов паров пылей с воздухом и другими окислителями кислород озон. Газовоздушные смеси могут воспламеняться взрываться только тогда когда содержание газа в смеси находится в определенных для каждого газа пределах. Нижний предел соответствует минимальному а верхний максимальному количеству газа в смеси при котором происходят их воспламенение при зажигании и самопроизвольное без притока тепла извне распространение пламени...
75758. Характеристика производственных помещений по степени пожарной опасности 13.33 KB
  Все помещения и здания подразделяются на 5 категорий. Б помещения где осуществляются технологические процессы с использованием ЛВЖ с температурой вспышки свыше 28 С способные образовывать взрывоопасные и пожароопасные смеси. В помещения и здания где обращаются технологические процессы с использованием горючих и трудногорючих жидкостей твердых горючих веществ которые при взаимодействии друг с другом или кислородом воздуха способны только гореть. Г помещения и здания где обращаются технологические процессы с использованием негорючих...
75759. Пожарная сигнализация, ее виды 12.36 KB
  Пожарная связь и сигнализация играют важную роль в мероприятиях для предупреждения пожаров способствуют своевременному их обнаружению и вызову пожарных подразделений к месту возникшего пожара а также обеспечивают управление и оперативное руководство работами на пожаре. Пожарную связь можно подразделить на связь извещения своевременный прием вызовов на пожары диспетчерскую связь управление силами и средствами для тушения пожаров и связь на пожаре руководство пожарными подразделениями. Наиболее надежное и быстродействующее средство...
75760. Понятие системы «Человек-среда обитания» 14.32 KB
  Человеку эти потоки необходимы для удовлетворения своих потребностей в пище воде воздухе солнечной энергии информации об окружающей среде и т. В то же время человек в жизненное пространство выделяет потоки механической и интеллектуальной энергии потоки масс в виде отходов биологического процесса потоки тепловой энергии и др. Естественная среда обеспечивает поступление на нашу планету потоков солнечной энергии что создает в свою очередь потоки растительной и животной масс в биосфере потоки абиотических веществ воздух вода...
75761. Причины региональной деградации биосферы. Формирование техносферы-нового типа среды обитания 15.71 KB
  Этим изменениям во многом способствовали: высокие темпы роста численности населения на Земле демографический взрыв и его урбанизация; рост потребления и концентрация энергетических ресурсов; интенсивное развитие промышленного и сельскохозяйственного производства; массовое использование транспорта; рост затрат на военные цели и ряд других процессов. Достижения в медицине повышение комфортности деятельности и быта интенсификация и рост продуктивности сельского хозяйства во многом способствовали увеличению продолжительности...
75762. Взаимодействие человека и техносферы 12.42 KB
  Взаимодействие человека и техносферы Человек и окружающая его среда гармонично взаимодействуют и развиваются лишь в условиях когда потоки энергии вещества и информации находятся в пределах благоприятно воспринимаемых человеком и природной средой. Любое превышение привычных уровней потоков сопровождается негативными воздействиями как на человека так и природную среду. и действиями человека. комфортное оптимальное когда потоки соответствуют оптимальным условиям взаимодействия: создают оптимальные условия деятельности и отдыха;...
75763. Понятие опасных и вредных производственных факторов 42.64 KB
  Понятие опасных и вредных производственных факторов По степени и характеру действия на организм все факторы условно делят на вредные и опасные. К вредным относятся такие факторы которые становятся в определенных условиях причиной заболеваний или снижения работоспособности. Опасными называют такие факторы которые приводят в определенных условиях к травматическим повреждениям или внезапным и резким нарушениям здоровья. И опасные и вредные факторы могут быть естественного или природного и антропогенного характера т.
75764. Теоретические основы и практические функции БЖД 21.59 KB
  Иначе говоря традиционно в данном научном направлении рассматривается преимущественно лишь локальная система жизнедеятельности как образующая своего рода фундамент безопасности для системы более высокого уровня так называемой глобальной системы жизнедеятельности. Соответственно можно выделить пространство локальной безопасности жизнедеятельности которое составляет часть более общего пространства глобальной безопасности жизнедеятельности. Кроме того говоря о локальной безопасности жизнедеятельности следует учитывать что в последнее время...
75765. Индивидуальный и социальный риск 15.64 KB
  Индивидуальный и социальный риск Наиболее распространенной оценкой опасности является риск. Риск частота реализации опасностей. Риск расценивается или как опасное условие при котором выполняется деятельность или же как действие совершаемое в условиях неопределенности. Различают индивидуальный и социальный риск.