Укажите пути получения омического перехода «металл-полупроводник».

Встает вопрос о том, как изменится взаимное расположение уровней энергий на этих энергетических диаграммах в случае, когда поверхность металла окажется в контакте с поверхностью полупроводника п-типа. Здесь следует подчеркнуть, что, во-первых, кристаллическая структура металла сильно отличается от структуры полупроводника. Во-вторых, даже очень тщательная полировка поверхностей металла и полупроводника не могут устранить микроскопических неровностей на полируемых поверхностях. Эти два обстоятельства не позволят обеспечить идеальный контакт между металлом и диэлектриком. Между их поверхностями останется очень тонкий слой пространства, заполненного в основном молекулами газов. Поскольку толщина этого зазора в среднем имеет порядок одного – пяти атомных диаметров, он не представляет большого препятствия для электронов проводимости. Они преодолевают этот зазор путем туннелирования сквозь создаваемый этим зазором потенциальный барьер. По этой причине разность энергий электронов, вышедших в вакуум из металла и полупроводника начинает стремиться к нулю (e_0М - e_0П = qU _З ® 0). После того как слой металла будет приведен в контакт с поверхностью полупроводника п-типа, начнется процесс выравнивания уровней Ферми металла и полупроводника. Если противоположные части контакта замкнуть внешним проводником, то уровень Ферми в объеме полупроводниковой части контакта сравняется с уровнем Ферми в металле. Этот процесс будет происходить путем перетекания части свободных носителей из полупроводника в металл. При этом в тонком слое полупроводника, примыкающем к контактному зазору остается нескомпенсированный положительный заряд (из-за обеднения этого слоя электронами). По указанной причине величина химического потенциала в различных слоях полупроводника оказывается зависящей от расстояния между поверхностью металла и рассматриваемым слоем (рис. 2.5).

Нарисуйте график ВАХ выпрямительного диода, выпишите уравнение такой ВАХ, и перечислите основные параметры линеаризированной модели выпрямительного диода.

,       

 

 

Нарисуйте принципиальные схемы выпрямителей тока (однополупериодного и двухполупериодного) и опишите принципы их действия в условиях работы на нагрузку, указав на особенности фильтрации пульсаций тока и ограничения на мощность используемых диодов.

Рассмотрим коротко наиболее распространенные схемы выпрямителей напряжения, построенные на полупроводниковых диодах.

В зависимости от мощности нагрузки и требований к амплитуде пульсаций выходного напряжения в схемах источников питания современной радиоэлектронной аппаратуры встречаются однофазные однополупериодные и двухполупериодные выпрямители напряжения (для нагрузок малой и средней мощности) и трехфазные выпрямители (для нагрузок большой мощности).

 

Рис. 3.7. Схема однополупериодного выпрямителя с согласующим            трансформатором и фильтрующим конденсатором

 

Представленный на рис. 3.7 выпрямитель питается от промышленной сети. Поскольку напряжение в сети чаще всего не соответствует требуемой величине напряжения на нагрузке R _Н, используется согласующий трансформатор с необходимым коэффициентом трансформации. Электрическая емкость С _Ф нужна для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке. Вместе с сопротивлением вторичной обмотки трансформатора Тр, динамическим сопротивлением полупроводникового диода Д и сопротивлением нагрузки R _Н, эта емкость образует фильтр низких частот. Сам выпрямитель (на рис. 1 он очерчен пунктирным прямоугольником) содержит лишь две детали – диод Д и емкость фильтра С _Ф.

На рис. 3.8 изображены временные диаграммы напряжений на входе и выходе выпрямителя. Видно, что входное напряжение выпрямителя (напряжение U _{I I}, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Тр) имеет синусоидальную форму. Временная зависимость его выходного напряжения (напряжения на нагрузке, U _Н) зависит от того, используется ли в выпрямителе конденсатор фильтра С _Ф. На нижнем графике рис. 3.8 сплошными линиями показана форма выходного напряжения выпрямителя при отсутствии конденсатора С _Ф. Видно, что в пределах каждого отрицательного полупериода напряжения U _{I I} выходное напряжение U _Н равно нулю. Ясно, что такое напряжение совершенно не годится для питания радиоэлектронной аппаратуры. Однако ситуация значительно улучшается при использовании фильтрующего конденсатора. В этом случае форма напряжения U _Н будет иметь вид, представленный ломанной пунктирной линией. 

 

 

Рис. 3.8. Диаграммы входного и выходного напряжений однополупериодного выпрямителя

 

Восходящие отрезки на пунктирной линии, А _i Б _i (i = 1, 2, …), соответствуют интервалам времени, в течение которых происходит заряд конденсатора С _Ф частью тока, протекающим через выпрямительный диод Д (другая часть – это ток, протекающий в течение этого же отрезка времени через сопротивление нагрузки R _Н). Нисходящие отрезки Б _i А _{i +1} (i = 1, 2, …) соответствуют разряду этого конденсатора через сопротивление нагрузки R _Н. Очевидно, что разряд будет протекать медленнее, если емкость конденсатора С _Ф увеличить. Таким образом можно снизить пульсации выходного напряжения выпрямителя.

В случае повышенной мощности, потребляемой нагрузкой, для сглаживания выходного напряжения однополупериодного выпрямителя требуются конденсаторы с очень большой величиной емкости. Поскольку такие конденсаторы имеют слишком большие габариты и высокую стоимость, применение однополупериодных выпрямителей в таких случаях становится нецелесообразным.

Двухполупериодный выпрямитель, схема которого представлена на рис. 3.9 (в пределах площади пунктирного прямоугольника), позволяет достичь лучшего сглаживания выходного напряжения. В таком выпрямителе эффективно используются как полупериоды положительного входного напряжения, так и отрицательные полупериоды. Действительно, в положительном полупериоде напряжения U _II ток течет по следующему пути: от верхнего вывода вторичной обмотки трансформатора Тр через диод Д₂, сопротивление нагрузки R _Н и диод Д₄ к нижнему выводу этой же обмотки. В отрицательном полупериоде – от нижнего вывода вторичной обмотки Тр через диод Д₃, нагрузку R _Н и диод Д₁ к верхнему выводу указанной обмотки.  

 

 

Рис. 3.9. Схема двухполупериодного выпрямителя с согласующим            трансформатором и фильтрующим конденсатором

 

Таким образом, через нагрузку R _Н ток I _Н течет в течении обоих полупериодов в одном и том же направлении (сверху – вниз), создавая падение напряжения одной полярности.

 

Нарисуйте принципиальную схему параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне и опишите принципы действия этого электронного узла в условиях работы без нагрузки и с нагрузкой, указав на связь минимального и максимального входного напряжения с параметрами стабилитрона.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р- п- перехода при включении диода в обратном направлении и его малом дифференциальном сопротивлении в области пробоя.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения:

1. Напряжение стабилизации U _ст- падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких вольт до сотен вольт).

2. Максимальный ток стабилизации I _{ст.макс} (от нескольких мА до
нескольких А).

3. Минимальный ток стабилизации I _ст.мин (от долей мА до десятков мА).

4. Дифференциальное сопротивление r _диф, которое определя­ется при заданном значении тока на участке (от долей Ом до тысяч Ом).

5. Минимальный ток стабилизации I _ст.мин (от долей до десятков мА).

6. Температурный коэффициент напряжения стабилизации a_ст - относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на D T (a_ст равно тысячным долям процента).

Принципиальная схема маломощного стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне приведена на рис. 3.12. Рассмотрим принципы работы рассматриваемого стабилизатора, используя метод линеаризированной ВАХ.

Рис. 3.12. Схема параметрического стабилизатора со стабилитроном в качестве нелинейного элемента

Линеаризированная схема замещения, соответствующая заданной нелинейной схеме, представлена на рис. 3.13. При построении данной схемы мы учли то, что рабочая точка стабилитрона должна находиться в области пробоя его р-п- перехода. При этом ток стабилитрона не должен быть меньше справочного значения его минимального тока (только в таком случае стабилитрон будет обеспечивать достаточно высокий коэффициент стабилизации напряжения на нагрузке).

 

 

Рис. 3.13. Линеаризированная схема замещения стабилизатора, представленного на рис. 3.12.

Изменение тока через нагрузку (D I _II= I _IIмакс - I _IIмин) будет определяться изменением второго слагаемого в последнем равенстве:

,

откуда видно, что при r _стаб = 0 нестабильность тока (D I _II) в нагрузочном сопротивлении равна нулю при любой нестабильности (D Е) входного напряжения. Это значит, что в таком идеальном случае и напряжение на нагрузке совершенно стабильно:

D U _Н = D I _II× R _Н = 0.

Учитывая, что r _стаб << R _Н, получаем:

.

Последнее равенство говорит о том, что при неизменных значениях r _стаб и R _Н стабильность выходного напряжения быстро растет с увеличением балластного сопротивления R. Но при этом резко снижается КПД стабилизатора.