Индуктивные элементы и устройства.

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающийся по свойствам к индуктивной катушке, в которой накапливается энергия магнитного поля.

Индуктивность измеряется в генри (Гн), милигенри (мГн), микрогенри (мкГн).

Связь напряжения U, на индуктивности L (идеальная катушка индуктивности, без потерь на активном сопротивлении и отсутствием паразитной ёмкости), с протекающим через неё током, описывается выражением:

, (1.3.1)

Комплексное сопротивление Z_L индуктивности описывается выражением:

, (1.3.2)

В качестве индуктивных элементов и устройств широко используются дроссели, катушки индуктивности для контуров, трансформаторы(силовые, импульсные, согласующие и т.п.)

Диоды.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор, имеющий в своемсоставе p-n переход. Существует большое многообразие диодов: выпрямительные, импульсные, детекторы, стабисторы, стабилитроны, туннельные диоды, светодиоды, фотодиоды.

Вольт-амперная характеристика р-п перехода. На рис. 1.4.1 а показан р-п переход, замкнутый накоротко внешней электрической цепью. Заштрихованная область соответствует обедненному слою. Если на переход подать положительное напряжение (рис. 1.4.1 6), то обедненный слой сузится. При подаче напряжения обратного знака обедненный слой расширится (рис. 1.4.1 в). Говорят, что при подаче положительного напряжения осуществляется смещение р-п

Рис. 1.4.1 Ширина обедненного слоя:

и — без смещения; 6 — прямое смещение; в — обратное смещение

перехода в прямом направлении, а при подаче отрицательного На­пряжения — в обратном. Смещение в прямом направлении пони­жает, а смещение в обратном направлении увеличивает потенци­альные барьеры для электронов и дырок на величину напряжения смещения.

Тонким р-п переход называется, если выполняется условие

(1.4.1)

,

где L₀ — ширина обедненного слоя; La — длина диффузионного смещения, т. е. средняя длина свободного пробега дырки или электрона до рекомбинации.

Для тока через тонкий р-п переход справедливо следующее выражение:

(1.4.2)

где /s — обратный ток насыщения; и — напряжение на переходе; у — коэффициент, равный 1 для германия и 1—2 для кремния; U_T — температурный потенциал:

U_T = kTjq (1.4.3)

(q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолют­ная температура). При комнатной температуре (Т=290 К)

U_T = 0,025 В. (1.4.4)

Снабдив р-п переход омическими контактами, одинаково хоро­шо проводящими ток в любом направлении, получим плоскостной диод.

На рис. 1.4.2 показаны вольт-амперные характеристики герма­ниевого и кремниевого плоскостных диодов. Масштаб по оси орди­нат для отрицательных значений токов во много раз больше, чем для положительных.

Уже при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток равен току насыщения /_s. Этот ток создается неос­новными носителями: электронами р-области и дырками п-области, переходу которых из одной области в другую способствует потен­циальный барьер вблизи границы раздела. При увеличении обрат­ного напряжения ток не увеличивается, так как на границе пере­хода число неосновных носителей в единицу времени определяется лишь температурой и не зависит от приложенного извне напряже­ния, если оно не очень велико.

Несмотря на более крупный масштаб по оси ординат для от­рицательных значений тока, обратный ток кремниевого диода не показан на рис. 1.4.2, так как обычно он на 2—3 порядка меньше обратного тока германиевого диода.

Рис. 1.4.2. Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого плоскостных диодов.

Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется у германиевых диодов лишь при напряжении 0,1—0,2 В, а у кремниевых — при напряже­нии—0,5—0,6 В.

Следует отметить, что при определении прямого тока можно пренебречь единицей в выражении (1.4.2) по сравнению с экспо­ненциальным членом, поскольку напряжение, при котором начина­ет течь заметный ток, равно 0,1—0,2 В, т. е. во много раз превы­шает температурный потенциал U_r = 0,025 В.

Таким образом, можно считать, что в рабочей области исполь­зования диода прямой ток

(1.4.4)

Дифференциальное сопротивление. Взяв производную тока' i по напряжению и и подставив значение U_T из (1.4.3), найдем следую­щую формулу для дифференциального сопротивления диода в омах при известном постоянном токе / в миллиамперах через диод:

(1.4.5)

где у — коэффициент, входящий в выражение (1.4.2), обычно при­нимают равным 1; U_г = 25 мВ.

Данная формула справедлива в предположении, что омическое сопротивление полупроводникового материала пренебрежимо ма­ло. Например, для маломощных диодов она справедлива, пока дифференциальное сопротивление не достигнет 1—2 Ом. Опреде­ляя сопротивление диода при больших токах, к сопротивлению перехода следует добавлять омическое сопротивление самого по­лупроводника. Дифференциальное сопротивление называют также сопротивлением переменному току и динамическим сопротивле­нием.

Нетрудно заметить, что для положительных напряжений сопро­тивление переменному току всегда во много раз меньше сопротив­ления постоянному.

Характеристики реальных плоскостных диодов отличаются от характеристик, описываемых выражением (1.4.3). Обратный ток этих диодов несколько возрастает при возрастании обратного на­пряжения.

Наряду с плоскостными в радиоэлектронике широко приме­няются точечные полупроводниковые диоды. Такой диод можно, например, получить соприкосновением заостренной пружинящей проволочки из металла с полупроводниковым материалом. Обычно для надежности точечного контакта осуществляется электрическая сварка металла с полупроводником. В результате сварки на границе раздела образуемся р-п переход в виде полусферы, имеющей очень малую площадь. Следовательно, точечный полупроводнико­вый диод также имеет плоскостной р-п переход. В отличие от плоскостного диода, в точечном этот переход находится не в глу­бине полупроводника, а вблизи его поверхности. Особенностью точечного диода является малое отношение площади перехода к периметру, ограничивающему эту площадь.

У точечных диодов обратный ток почти линейно растет с ростом напряжения. Они как бы обладают сопротивлением утечки, вклю­ченным параллельно переходу. Такая утечка создается за счет того, что ток через поверхность оказывается большим, чем обрат­ный ток через переход.

Барьерная емкость. Варикап. Емкость запертого р-п перехода называется барьерной. С увеличением запирающего напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, поэтому барьерная ем­кость, обусловленная неподвижными зарядами, при этом умень­шается. Барьерная емкость

(1.4.6)

где С(0)—емкость при U=0; и_к — контактная разность потенциалов; и — запирающее напряжение; коэффициент п в показатель степени равен 2 для резких р-п переходов и 3 для плавных переходов.

Диоды, специально сконструированные для изменения емкости изменением значения запирающего напряжения, называются варикапами. Варикапы применяются в схемах автоподстройки частоты, а также в параметрических усилителях и преобразователях.

Стабилизация малых напряжений. Прямую ветвь характеристики диода можно использовать для стабилизации малых напряжений: 0,2—0,3 В для гер­маниевого диода и 0,6—0,8 В для кремниевого диода. Идея стабилизации видна на рис. 1.4.3, на котором показано, что при значительном изменении напряжения источника питания от U 1до U2точка пересечения линии R с характерис­тикой диода смещается ненамного, если прямая ветвь характеристики диода имеет большую крутизну. Схема стабилизации показана на рис. 1.4.4

Рис. 1.4.3. Принцип стаби­лизации напряжения

Рис. 1.4.4. Схема стабилизации напряже­ния с помощью диода,

Из рис. 1.4.3 видно, что стабилизация тем лучше, чем больше R по сравне­нию с г_д диода, причем стабилизация получается при изменении как напряжения источника питания U_n, так и сопротивления нагрузки R_H.

Стабисторы. Для стабилизации малых напряжений по описанному принципу иногда применяют специальные диоды, называемые стабисторами. Для их из­готовления используют кремний с относительно большой концентрацией приме­сей. Напряжение стабилизации кремниевых стабисторов примерно равно 0,7 В. Применение нескольких последовательно включенных диодов, смонтированных в одном корпусе, увеличивает напряжение стабилизации в п раз, где га— число последовательно включенных диодов.

Стабилитрон. Для стабилизации напряжений от нескольких единиц до не­скольких десятков и даже сотен вольт (примерно от 3 до 400 В) применяются специально изготовленные кремниевые плоскостные диоды, называемые стаби­литронами, а также опорными диодами. Для стабилизации используется обрат­ная ветвь характеристики диода при напряжении, соответствующем области пробоя. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона по­казана на рис.1.4.4.

В полупроводниковых диодах различают три вида пробоя: тепловой, ла­винный и зенеровский.

Тепловой пробой наступает вследствие выделения тепла в переходе
при протекании обратного тока. Так как в кремниевом диоде обратный ток мал
и создает малый разогрев, тепловой пробой наступает при напряжениях и то-­
ках, больших, чем напряжение и ток, соответствующие лавинному и зенеров-
скому пробоям.

Причиной лавинного пробоя является ускорение носителей тока — дырок и электронов, которые приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника в области перехода разрывать в нем валентные связи, в результате чего могут произойти лавинообразное возраста­ние новых пар электрон — дырка и лавинное возрастание обратного тока.

Причиной зенеровского пробоя является высокая напряженность поля у перехода (порядка 10⁵ В/см), способная вырывать электроны из их валент­ных связей.

Важными параметрами полупроводникового стабилитрона являются: на­пряжение стабилизации, равное напряжению пробоя, максимально и минимально допустимые значения тока стабилизации, дифференциальное сопротивление в ра­бочей точке (см. рис.1.4.5) и температурный коэффициент напряжения ста­билизации. Поясним значение некоторых из этих параметров.

Из рис. 1.4.5 следует, что при уменьшении тока /а рабочая точка сдвигается в область, где дифференциальное сопротивление увеличивается, что приводит к ухудшению стабилизации. Этим обусловлен минимально допустимый ток ста­билизации. Кроме того, при малых токах стабилизации лавинный пробой ста­новится нестабильным, что увеличивает шумы.

Рис. 1.4.5. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона.

Максимально допустимый ток стабилизации определяется допустимой мощ­ностью рассеяния, равной произведению тока на напряжение стабилизации. Из­менение температуры стабилитрона смещает характеристику влево или вправо, т. е. в сторону больших или меньших отрицательных напряжений. Темпера­турный коэффициент напряжения стабилизации характеризуют абсолютным или относительным изменением напряжения на один градус. У стабилитронов с ла­винным пробоем температурный коэффициент напряжения положителен, а у ста­билитронов с зенеровским пробоем — отрицателен. Положительный температур­ный коэффициент можно скомпенсировать, включив последовательно со стаби­литроном плоскостной кремниевый диод, смещенный в прямом направлении, так как последний имеет отрицательный температурный коэффициент. Этот метод часто используется в стабилитронах, выпускаемых промышленностью, причем термокомпенсирующий диод, включенный в прямом направлении, смонтирован в корпусе стабилитрона. Такие стабилитроны называют термокомпенсированными. Температурный коэффициент стабилизации термокомпенсированных стаби­литронов а_ст=(— 1... +20)-10^-6 1/К. Без температурной компенсации тем­пературный коэффициент напряжения стабилизации на порядок выше.

Туннельный диод. В 1958 г. Эсаки открыл туннельный эффект в р-п переходе, на основе которого были созданы туннельные диоды. В настоящее время такие диоды изготовляются из герма­ния, антимонида и арсенида галлия. Вольт-амперная характери­стика туннельного диода показана на рис. 1.4.6.

Благодаря участку характеристики с отрицательным наклоном туннельный диод способен усиливать. Главное преимущество этих диодов по сравнению с электронными лампами и транзисторами состоит в их быстродействии, являющемся следствием того, что при туннельном эффекте перенос электронов происходит со ско­ростью, близкой к скорости света. Усилители, смесители и генераторы на туннельных диодах спо­собны работать в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Рис.1.4.6. Вольт-амперная характери­стика туннельного диода.

Светоизлучающий диод. Светодиод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p-n- переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий. При этом избыточная энергия выделяется путём излучения кванта света. Для обеспечения разных цветов свечения применяются разные полупроводниковые материалы, а также добавляют в полупроводниковый материал атомы веществ-активаторов. Диапазон, реализованных спектров излучения, на сегодняшний день начинается от ближнего ультрафиолета (0,35 нм) до ближней инфракрасной области (1,7 мкм).

Фотодиоды. Фотодиод является фоточувствительным полупроводниковым диодом с двухслойной структурой из полупроводников p и n типа проводимости и p-n-переходом. При облучении фотодиода светом в нём возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок, которые резко увеличивают обратный ток диода. Этот ток называется фототоком. На сегодняшний день достигнутая область спектральной чувствительности (разных типов светодиодов) составляет примерно от 0,26 нм до 3,5 мкм.

Кроме фотодиодов промышленность выпускает также фототранзисторы, фотосопротивления.

Дата добавления: 2015-07-08