 |
Високочастотні та імпульсні діоди
|
|
|
|
Високочастотні діоди – прилади універсального призначення: вони можуть бути використані для випрямлення, детектування та інших нелінійних перетворювань електричних сигналів в діапазоні частот до 600 МГц.
Рис. 2.2.8. Умовне графічне зображення високочастотного
та імпульсного діодів
Високочастотні діоди виготовляються, як правило, із германію або кремнію і мають точкову структуру.
1 – виводи, 2 – скляний балон, 3 – кристал германію,
4 – електрод із вольфрамового дроту
Рис.2.2.9. Конструкція точкового високочастотного діода
Ємність p-n переходу С > 1пФ, що забезпечує їх високу ефективність на високих частотах.
Високочастотні діоди можуть використовуватись в схемах детектування, в якості обмежувачів, нелінійних опорів, комутаційних елементів і т.п.
До високочастотних діодів належать діоди Шоттки. На відміну від звичайних точкових діодів, у яких контакт здійснюється притиском металевої голки, у діодів Шоттки контакт являє собою тонку плівку металу (золото, нікель, алюміній, платина, вольфрам, молібден, ванадій та ін.). У таких діодів бар’єрна ємність не перевищує 0,01 пФ, робочий діапазон f = 5...250 ГГц, тривалість перемикання становить τтр ≤ 1 мс, зворотні струми не перевищують декількох міліампер, а зворотні напруги знаходяться в інтервалі 10...1000 В.
Імпульсні діоди призначені для роботи в швидкодійних імпульсних схемах з часом перемикання 1 мкс та менше.
Під дією вхідного імпульсу додатної полярності (рис. 2.2.10, а) через діод протікає прямий струм, величина якого визначається амплітудою імпульсу, опором навантаження і опором відкритого діода. Якщо на діод, через який протікає прямий струм, подати зворотну напругу так, щоб його закрити, то діод закривається не миттєво (рис.2.2.10, б).
|
|
|
Uвх І
 |
t t
а б
Рис. 2.2.10. Осцилограми вхідної напруги (а) і струму (б) імпульсного діода
Основною характеристикою імпульсних діодів є перехідна характеристика (рис.2.2.10, б). Вона відображує процес відновлення зворотного струму і зворотної напруги діода при дії на нього імпульсної напруги зворотної полярності.
Основні параметри імпульсних діодів: час відновлення зворотної напруги τв, заряд перемикання Qпм, загальна ємність Сд, імпульсна пряма напруга Uпр.і, імпульсний прямий струм Іпр.і.
Стабілітрони
Стабілітрони – площинні кремнієві діоди, які працюють на зворотній вітці вольт-амперної характеристики p-n переходу.
При ввімкненні їх в зворотному напрямку і при визначеній напрузі на переході останній „пробивається” і, не дивлячись на збільшення струму через p-n перехід, напруга не змінюється.
Стабілітрони призначені для стабілізації рівня напруги пр зміні струму, що протікає через діод.
 |
а) б)
Рис. 2.2.11. Умовні графічні зображення стабілітронів:
а) звичайного, б) двостороннього
Іпр
Uзв Uст Uпр
Іст.мін
Іст.макс
Ізв
|
1, 8 – зовнішні виводи, 2 – трубка, 3 – ізолятор,
4 – корпус, 5 – внутрішній вивід, 6 – кристал з переходом,
7 – кристалотримач
Рис.2.2.13. Конструкція кремнієвого стабілітрона
В стабілітроні робочою є пробійна частина ВАХ в області зворотних напруг. Оскільки електричний пробій настає при порівняно низькій зворотній напрузі, потужність, що виділяється в p-n переході, навіть при значних зворотних струмах буде невеликою, що застерігає p-n перехід від теплового пробою.
Підвищення гранично допустимого зворотного струму стабілітрона призводить до виходу пристрою з ладу.
|
|
|
Основні параметри:
напруга стабілізації Uст – напруга на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму;
можливий розкид напруги стабілізації від номінального значення Uст.ном;
диференційний опір стабілітрона rст – відношення приросту напруги стабілізації до приросту струму в заданому діапазоні частот
; (2.2.1)
температурний коефіцієнт напруги стабілізації αст
(2.2.2)
Для стабілітронів з напругою до 5 В - αст <0, вище - αст >0.
Варикапи
Варикапи – напівпровідникові діоди спеціальної конструкції, ємність яких можна змінювати в значних межах.
 |
Рис. 2.2.14. Умовне графічне зображення варикапа
Із збільшенням зворотної напруги ємність p-n переходу зменшується за законом
(2.2.3)
де Сд – ємність діода при зворотній напрузі U;
С0 - ємність діода при нульовій зворотній напрузі;
φк – контактний потенціал (десяті частини вольта);
n – коефіцієнт, що залежить від типу варикапа, n=2…3.
v 
Варикап, призначений для множення частоти сигналу – варактор.
Варикапи використовують в пристроях автопідрегулювання частоти, генераторах і т.д.
|
Як і конденсатори змінної ємності варикапи часто виготовляють у вигляді блоків (матриць) із спільним катодом і роздільними анодами
|
Сб
Uзв
Рис. 2.2.16. Вольт-фарадна характеристика варикапа
коефіцієнт перекриття Кс
; (2.2.4)
добротність Q – відношення реактивного опору до повного опру втрат, виміряне на номінальній частоті при температурі 20ºС;
температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ)
; (2.2.5)
максимальна допустима потужність.
Тунельні діоди
|
|
|
В 1857 році японський вчений Ясаки побачив, що при збільшенні концентрації домішок до 109 – 1020 см-3, спостерігаються аномалії.
Принцип роботи тунельного діоду базується на тунельному ефекті.
 |
Рис. 2.2.17. Умовне графічне зображення тунельного діода
Вольт-амперна характеристика тунельного діода містить ділянку з від’ємним диференційним опором
, (2.2.6)
що дозволяє використовувати діод в підсилювачах і генераторах електричних коливань, а також в різноманітних імпульсних пристроях.
Іпр
А С
Імакс
В а
Імін
Uзв Uпр 1–виводи, 2–контактний дротик,
Б U1 U2 U3 3–керамічна втулка, 4–кристал напівпровідника
Ізв
Рис. 2.2.18. Вольт-амперна характеристика Рис.2.2.19. Конструкція тунельних діодів
тунельного діода
Якість діода визначають протяжність і крутизна падаючої ділянки АВ вольт-амперної характеристики (рис. 2.2.18).
Основні параметри: піковий струм Іп, струм впадини Івп, напруга піка Uп, напруга впадини Uв, напруга розтвору Uр (сумарна напруга на другій гілці, яка підіймається при Іп), ємність діода Сд (сумарна ємність переходу і корпусу діода при заданій напрузі зміщення).
За призначенням тунельні діоди діляться на: підсилювальні, генераторні, перемикаючі.
Фотодіоди
Фотодіод – фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього підсилення, фоточуттєвий елемент якого містить структуру напівпровідникового діода. Характеризуються малими масою та розмірами, великим строком служби, назькою напругою живлення, економічністю та високою чуттєвістю.
|
 |
Рис. 2.2.20. Умовне
графічне зображення
фотодіода
Фотодіод виконаний так, що його p-n перехід однією стороною звернений до скляного вікна, через яке поступає світло, і захищений від дії світла з інших сторін.
Підключається фотодіод на зворотні напруги. Коли діод не освітлений, в колі проходить зворотний струм (темновий) невеликої величини (10-20 мкА для германієвих і 1-2 мкА для кремнієвих діодів).
|
|
|
При освітленні фотодіода зявляється додаткова кількість електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід неосновних носіїв зарядів, що призводить до збільшення струму в колі.
Фотодіод можна вмикати в схеми:
v з зовнішнім джерелом живлення (фотодіодний режим)
v без зовнішнього джерела живлення (вентильний режим)
Основні характеристики фотодіода (рис. 2.2.22).
Вольтамперна характеристика визначає залежність струму фотодіода від напруги на ньому при постійній величині світлового потоку (рис. 2.2.22, а): Ід = f(Uд) при Ф = const. Характерною особливістю робочої області вольт-амперних характеристик є практично повна незалежність струму фотодіода від прикладеної наруги. Такий режим настає при зворотніх напругах на діоді біля 1 В.
Світлова характеристика зображує залежність струму фотодіода від веичини світлового потоку при постійній напрузі на фотодіоді: Ід =f (Ф) при Uд = const (рис. 2.2.22, б).
Спектральна характеристика показує залежність спектральної чуттєвості від довжини хвилі падаючого на фотодіод світла.
Ід Ід
Ф=0
-Uа Uа
Ф=0 Ф1
Ф2
Ф3
а б Ф Рис. 2.2.22. Характеристики фотодіода: а - вольтамперна, б - світлова
Параметри фотодіодів: інтегральна чуттєвість Sінт, робоча напруга Up, темновий струм ІТ, довговічність.
Світлодіоди
Світлодіод – випромінюючий напівпровідниковий прилад з одним електронно-дірковим переходом, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.
1
|
2.2.23. Умовне графічне 4
зображення світлодіода
В залежності від ширини забороненої зони напівпровідника і особливостей рекомбінації носіїв заряду випромінювання може лежати в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій частинах спектру. Найбільше розповсюдження отримали світлодіоди, які випромінюють жовте, червоне і зелене світло. Створнеі також зразки світлодіодів із сівітлом, що перебудовується.
Конструкція типового світлодіода, який використовуєтся в якості джерела випромінювання, показана на рис. 2.2.24. Кристал напівпровідника з відповідними виводами поміщують в коваровий або керамічний балон, верхня частина якого закінчується скляною (або із епоксидної смоли) лінзою. За допомогою лінзи випромінювання набуває заданий напрямок.
|
|
|
Основні параметри: яскравість свічення діода В (кд/м2) при максимально допустимому прямому струмі Іпр.max, мА, постійна пряма напруга Uпр, повна потужність випромінювання Рповн, максимально допустима зворотна напруга Uзв.max, ширина діаграми направленості світлового випромінювання.
λ, мкм
а) б)
Рис. 2.2.25 Характеристики світлодіода: а) спектральна, б) направленості
Основні характеристики сівітлодіодів – спектральна (залежність відносної потужності випромінювання 
від довжини хвилі, що випромінюється, при визначеній температурі середовища)і характеристика направленості (визначає величину інтенсивності світлового випромінювання в залежності від напряму випромінювання).
Маркування діодів
v 
Для маркування діодів використовуються шість символів без будь-яких розділових знаків.
Перший елемент характеризує вихідний матеріал, з якого виготовлено прилад, позначається буквою:
К - кремній, або його з’єднання; Г – германій, або його з’єднання; А – з’єднання галію.
Для приладів, які використовуються в пристроях спеціального призначення, встановлені наступні позначення, де буквам відповідають цифри: К – 1, Г – 2, А – 3.
Другий елемент характеризує клас приладу, позначається буквою:
Д – діоди випрямні, універсальні, імпульсні;
Ц – випрямні стовпи і блоки;
А – діоди зверхвисокочастотні;
В – варикапи;
И – тунельні діоди;
Л – світлодіоди;
Г – генератори шуму,
Б – прилади з об’ємним ефектом,
К – стабілізатори струму,
С – стабілітрони і стабістори.
Третій елемент характеризує призначення приладу, позначається цифрою.
Четвертий і п’ятий елементи позначають порядковий номер розробки технологічного типу приладу, позначаються цифрами від 01 до 99.
Шостий елемент позначає ділення технологісчного типу на параметричні групи, позначається буквою від А до Я.
Для стабілітронів маркування, починаючи з третього елементу, відрізняється:
Третій елемент визначає індекс потужності (цифра); четвертий і п’ятий – кодоване позначення мінімальної напруги стабілізації (цифри), шостий – послідовність розробки (буква).
|
|
|
