Чтобы вектор напряженности магнитного поля н изменил свое направление на обратное.

Лист 4 Конденсаторы.

Принцип действия С основан на способности накапливать электрические заряды при приложении U между обкладками. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является ёмкость конденсатора. В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого конденсатора описывается формулой в 1 окне. Энергия, запасенная в конденсаторе описывается формулой Д. По назначению конденсаторы делятся на конденсаторы общего назначения (НЧ и ВЧ) и специального назначения (высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические, C с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды). По назначению конденсаторы подразделяются на контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и т.д. По характеру изменения емкости на постоянные, переменные и полупеременные (подстроечные). По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым, газообразным (воздух) и жидким диэлектриком (конденсаторное масло). Конденсаторы с твердым диэлектриком делятся на керамические, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные, бумажные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др. По способу крепления различают конденсаторы для навесного и печатного монтажа, для микромодулей и микросхем. Конденсаторы гибридных ИМС представляют собой трехслойную структуру: на подложку наносится металлическая пленка, затем диэлектрическая пленка (Al₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅- оксиды данных металлов при малой толщине – диэлектрики) и снова металлическая пленка (окно 4).

Основными параметрами являются ёмкость и рабочее напряжение (2 таблица в 1 окне). Кроме того, свойства конденсаторов характеризуются рядом паразитных параметров.

Номинальная емкость С_ном (основная ед.измерения –пФ – иногда не указывается) и допустимое отклонение от номинала ±∆С (3 таблица в 1 окне).

Электрическая прочность конденсаторов Епр=Uпроб/h характеризуется величиной напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных свойств диэлектрика. Для повышения надежности РЭА конденсаторы используют при U, которое меньше номинального.

Стабильность емкости определяется ее изменением под воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на величину емкости оказывает температура. Ее влияние оценивается температурным коэффициентом емкости (ТКЕ: М-отрицательный, П- положительный, МП0-приблизительно равный 0)(окно 1 формула Ж, таблица 1, рис.А). В основном же изменение емкости вызывается изменением диэлектрической проницаемости.

У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от температуры и указывается на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в определенный цвет и нанесения цветной метки.

У НЧ керамических конденсаторов температурная зависимость емкости носит нелинейный характер. Температурная стабильность (ТСЕ, формула И в 1 окне) этих конденсаторов оценивается величиной предельного отклонения емкости при крайних значениях температуры. Обозначается Н10…Н90 (окно1 Б), число показывает на сколько процентов изменится емкость в рабочем интервале температур по сравнению с емкостью, измеренной при 20⁰С.

Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляризацией диэлектрика и характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ. Конденсаторы с керамическим диэлектриком имеют tg δ >>10^-4, конденсаторы со слюдяным диэлектриком - 10^-4, с бумажным - 0,01-0,02, с оксидным-0,1-1,0. С ростом частоты и температуры потери возрастают. Величина, обратная tg δ называется добротностью Q.

Система обозначений конденсаторов постоянной емкости состоит из ряда элементов: на первом месте стоит буква К, на втором месте - двухзначное число,1 обозначает тип диэлектрика, а2 - особенности диэлектрика или эксплуатации, затем через дефис ставится порядковый номер разработки. Например, обозначение К 10-12( окно 1 А) означает - керамический низковольтный конденсатор (U<1600B) с 12 порядковым номером разработки. K-50 – электролитический фольговый алюминиевый (окно 1 Г), относятся к полярным, один из выводов как на корпусе, так и в УГО отмечается «+» (включать следует правильно, иначе выйдет из строя). Они могут работать при подведении к аноду + потенциала, а к катоду - отрицательного. Поэтому их применяют в цепях пульсирующего напряжения, полярность которого не изменяется, например, в фильтрах питания. Электролитические конденсаторы обладают очень большой емкостью (до тысячи мкФ) при сравнительно небольших габаритах. Но они не могут работать в ВЧ цепях, так как из-за большого сопротивления электролита tg δ достигает значения 1,0. Поскольку при низких t электролит замерзает, то в качестве параметра электролитических конденсаторов указывается минимальная t, при которой допустима работа C. При ↓температуры емкость конденсатора↓, а при ↑ температуры -↑.

Вариконд (окно 7). Для него характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Управляются напряжением. Выполняют на основе сегнетоэлектриков (титанатов бария, стронция, кальция – свойственна спонтанная поляризация). Применяются вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного LC-контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, то можно изменять резонансную частоту этого контура (формула Е в окне 1). Максимум диэл. прониц-ти соответствует т. Кюри(Нееля) (сегнетоэлектрические св-ва при данной t пропадают).

Варикап - э то полупроводниковый конденсатор (диод, на основе p-n-перехода), емкость которого изменяется за счет внешнего напряжения. С ростом обратного напряжения емкость варикапа уменьшается (окно 3). Благодаря малым размерам, высокой добротности, стабильности и значительному изменению емкости варикапы нашли широкое применение в РЭА для настройки контуров и фильтров.

В цепи переменного тока ( окно 2) в емкостной цепи ток опережает по фазе на 90⁰ напряжение. Эквивалентная емкость батареи параллельно включенных конденсаторов рассчитывается по формуле 2, емкостное сопротивление Xc такой цепи оценивается формулой 4 (определено формулой а, измеряется в Ом). Рабочим напряжением является наименьшее из напряжений конденсаторов, входящих в схему. В окне 2 изображено последовательное соед. 2 конденсаторов с разл. ёмкостью. Полное напряжение поделится между конденсаторами т.о., что на меньшей емкости установится большее U и наоборот:

Конденсаторы применяют в разл. аппаратуре. Защитную (демпферную) функцию С вып. на 1 рис. в окне 6 (препятствует прохождению постоянной составляющей), функцию фильтра (на рис.2) и в качестве энергонакопителя (рис.3).

Ионистор -кондесатор с двойным электрическим слоем, формируемым на границе 2 фаз, который обладает высокой емкостью (10-100 мкФ). Диэлектрика нет, вместо него водные растворы кислот, щелочей, твердые электролиты. U_раб мало.

Лист 5 Катушки индуктивности.

Катушки индуктивности (L) обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. В цепи переменного тока на индуктивном элементе напряжение опережает по фазе ток на 90⁰ (рис.1). При последовательном соединении катушек их индуктивность складывается (ф. на рис.11 А). При параллельном включении определяется формулой Б. При последовательном соединении катушки и резистора, их общий импеданс Z определяется ф. на рис.11. УГО катушек изображено на рис.13: без сердечника, без сердечника с отводами, с ферромагнитным сердечником, с сердечником, имеющим зазоры и с сердечником –подстроечником.

Маркировка L содержит номинал (мкГн- основная единица) и допуск (если его нет, то 20%). (рис.21).

Функционирование L основано на взаимодействии I и магнитного потока Ф(ф.6 и 7). Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в МП, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока dФ/dt (формула на рис.2). Поэтому при подключении к проводнику источник U₌ ток в нем устанавливается не сразу, т. к. в момент включения изменяется Ф и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию I, а спустя некоторое t, когда Ф перестает изменяться. Если же к проводнику подключен ИП переменного U, то ток и Ф будут изменяться непрерывно и наводимая в проводнике ЭДС (рис.2 и 5) будет препятствовать протеканию I~, что эквивалентно увеличению R проводника. Чем выше ω изменения U, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником протекающему I. Это сопротивление X _L не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным (Х_L=ω L рис.1). При изменении I по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет опр. формулой на рис.5.

Энергия МП, запасаемая катушкой определяется ф.8. Индуктивность короткого проводника определяется его размерами (ф. 16), здесь l -длина провода в см, d - диаметр провода в см. Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и величина индуктивности возрастает (ф.7(1) и 17). где w - число витков, D - диаметр катушки в см, L₀ - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки l к ее диаметру D.

Для увеличения L применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует МП и тем самым увеличивает ее индуктивность (ф.7(2)). ЭДС катушки с сердечником описывается ф.3. Применение сердечников из магнитных материалов позволяет уменьшить число витков L и соответственно ее габариты. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменять индуктивность. На рис.12 представлены разновидности сердечников: кольцевой (тороидальный- индуктивность определяется ф.18) (А), стержневой (Б), броневой (Г), Ш-образный (В). Броневые сердечники состоят из двух чашек, изготовленных из карбонильного железа или ферритов. На высоких частотах (десятки-сотни МГц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь), при их введении индуктивность уменьшается.

Для уменьшения влияния ЭМП катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на L, ее располагают внутри металлического экрана. При помещении катушки в экран индуктивность катушки уменьшается и тем больше, чем меньше диаметр экрана.

Влияние температуры оценивают температурным коэффициентом (ф.10). Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается l и D каркаса, в результате чего изменяются шаг и d витков; кроме того, при изменении t изменяются ε материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.

Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь r, которое определяет добротность катушки Q индуктивности (от 30 до 200) (рис.9). Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране. Потери в проводах: т.к. они обладают омическим сопротивлением; r_п обмотки I~ возрастает с ростом f, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что I протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения; в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и МП к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает I, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию r_п провода. Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует емкость. Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые I, потерь на гистерезис и начальных потерь. Для ↓ потерь на вихревые токи стальные сердечники электрических машин выполняются не из массивной стали, а из стальныхлистов толщиной 0,35-0,5 мм, изолируемых друг от друга или слоем лака, или тонкими бумажными листами.. С целью↓ потерь на гистерезис для изготовления сердечников электрических машин применяется специальная электротехническая сталь. Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Т.о. суммарное r в L, определяющее ее Q, равно r = r _п + r_д +r_c + r_э (рис.9). Повышение Q достигается оптимальным выбором d провода, увеличением размеров L и применением сердечников с высокой μ и малым r.

Контурные L- используются с C для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и Q (рис.20 и 26).

Катушки связи. (рис.28) Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д. К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (ф.19), где L₁ и L₂ - индуктивность связанных катушек, М - взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.

Вариометры. (рис.27) Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра.

Дроссели(рис.25). Это L, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты ИП от попадания в них ВЧ-сигналов. На НЧ они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.

Трансформаторами называются электромагнитные устройства, имеющие 2 или более индуктивно-связанных обмоток и предназначенные для изменения величины переменного напряжения (тока)(рис.14 и15). Состоит из ферромагнитного магнитопровода (сердечника) (рис.14А) и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, а обмотки, к которым подключены потребители электрической энергии, - вторичными (рис.15). Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. (ф. 4) При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i ₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них э. д. с. При подключении нагрузки Z _н к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием Э.Д.С. ξ₂ в цепи этой обмотки создается ток i ₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U ₂. В повышающих трансформаторах U ₂ > U ₁, а в понижающих — U ₁ < U _2.

Величина ЭДС (В) первичной и вторичной обмоток определяются выражением на рис.3. Они связаны соотношением на рис.15, где величина k называется коэффициентом трансформации.

По назначению подразделяются на трансформаторы питания, согласующие и импульсные. Тр-ры питания применяются в блоках питания радиоустройств и служат для получения переменных напряжений, необходимых для нормального функционирования аппаратуры. Согласующие тр-ры предназначены для изменения уровня U (I) электрических сигналов, несущих полезную информацию. Они позволяют согласовать источник сигналов с нагрузкой при минимальном искажении сигнала. Различают входные, межкаскадные и выходные трансформаторы. Входные трансформаторы включаются на входе усилительного устройства и согласуют выходное сопротивление источника сигналов, например микрофона, с входным сопротивлением усилителя. Межкаскадные трансформаторы согласуют выходное сопротивление предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего. Выходные трансформаторы согласуют выходное сопротивление усилителя с внешней нагрузкой. Эти трансформаторы должны обеспечивать передачу большой мощности от усилителя в нагрузку.

Импульсные тр-ры предназначены для формирования и трансформации импульсов малой длительности. Основное требование- малые искажения формы трансформируемого импульса.

Трансформаторы разделяют на следующие основные виды:

1) силовые, применяемые в системах передачи и распределения электроэнергии; для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) при преобразовании I_~ в I₌(выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы); для получения требуемых U в цепях управления электроприводами и в целях местного освещения;

2) силовые специального назначения — печные, сварочные т. п.;

3) измерительные — для включения электрических измерительных приборов в сети высокого U или сильного I;

4) испытательные — для получения высоких и сверхвысоких U, необходимых при испытаниях на Е_пр электроизоляционных изделий;

5) радио трансформаторы — применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, гальванического разделения цепей и др.

Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться: по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением; по числу трансформируемых фаз — однофазные и многофазные; по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные; по числу обмоток — двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и две или более вторичных обмоток); по конструкции обмоток — с концентрическими и чередующимися обмотками.

Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока и напряжения. Используются для подключения измерительных приборов в цепи высокого напряжения и больших токов. Выполняются двухобмоточными. Трансформатор напряжения – понижающий. К нему подключают вольтметры, цепи напряжения счетчиков и ваттметры, защитную аппаратуру, сопротивление которых во много раз превышает R обмоток трансформатора. Работает в режиме, близком ХХ.(рис. 23 б). Трансформатор тока –повышающий (рис.23а). Сопротивление амперметра мало, трансформатор работает в режиме КЗ. Размыкание цепи вторичной обмотки не допустимо, т.к. резко увеличивается магнитный поток в сердечнике, возрастают потери в нем, трансформатор может выйти из строя.

Трансформатор гальванической развязки (рис.24) пропускает сигнал неизменным. Используется для предотвращения поражения электрическим I. Без трансформатора один вывод источника тока соединяется с шасси прибора. Когда шасси удаляется из корпуса, появляется опасность поражения I. Трансформатор предотвращает эл. контакт с землей.

Автотрансформатор (рис.22) не обеспечивает гальванической развязки, используется для повышения и понижения напряжения. Недостаток – вторичная обмотка не изолирована от первичной (имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения), преимущество – дешевле и проще в изготовлении, выгодно использовать в тех случаях, когда k ≈ 1. При одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора Р_АТ и электротрансформатора Р_ЭТ(см. ф. на рис.22), то есть чем меньше различаются числа витков,тем выгоднее применять автотрансформатор.

Лист 6 Выпрямительные и импульсные диоды

Для производства полупроводниковых диодов в качестве основного материала используют 4-валентные германий (Ge-∆W-0,7эВ), кремний (Si-∆W =1,12 эВ), и п/п соединение структуры А^IIIB^V – арсенид галлия (GaAs - ∆W=1,43 эВ). Чистые п/п в РЭА используют редко, чаще используют выпрямляющие электрические переходы: между областями с различным типом электропроводности (p - n переход); между разными по составу п/п с различной шириной запрещенной зоны (∆W) (гетеропереход); между металлом и полупроводником (переход Шоттки) (окно 6). Невыпрямляющий контакт м/у металлом и п/п называют омическим, он используется для создания выводов для подключения диода к эл.цепи. Его св-ва не должны влиять на протекающий через диод ток в любом направлении.

Для создания p-n-перехода основной материал легируют донорными (V, VI-валентными) примесями (окно 5) для получения n-области с электронной электропроводностью и акцепторными примесями (II, III-валентными) (окно 4) для получения р-области с дырочной электропроводностью. В процессе формирования p–n– перехода в приконтактном слое происходит диффузия основных подвижных носителей заряда в соседнюю область: дырок в p– область и электронов – в n– область, где они рекомбинируют (окно 12) с основными носителями данной области. В результате, приконтактный слой в p– и n– областях обедняется основными подвижными носителями заряда и в нём образуется двойной слой нескомпенсированных ионов примесей, обладающий большим сопротивлением (рис.7). В p– области образуется слой отрицательных ионов акцепторной примеси, а в n– области – слой положительных ионов донорной примеси. Те и другие заряды жёстко связаны с узлами и не могут участвовать в создании тока проводимости. Двойной слой p–n– перехода создает контактную разность потенциалов φ_{k 0} и электрическое поле Е, направленное из n-области в р-область, максимум которого находится на границе раздела р- и n- областей (ф.29). Все эти факторы противодействуют процессам диффузии основных зарядов через переход и одновременно способствуют дрейфовому переносу неосновных носителей (окна 13 и 14). На рис. 8-10 приведены энергетические диаграммы выпрямительного диода в состоянии равновесия (рис.8), при прямом (рис.9) и обратном включениях (рис.10). На диаграммах обозначены точками СКL – валентная зона, АDGF – зона проводимости, ACGK – запрещенная зона. Ширина p-n-перехода (обедненного слоя) обозначена буквами DM, контактная разность потенциалов (высота потенциального барьера) – FG, уровень Ферми – BH.

В р-n-переходе при отсутствии внешних напряжений (в состоянии равновесия) токи дрейфа и диффузии равны по модулю и противоположны по направлению. На энергетической диаграмме р–n –перехода уровень Ферми (ВН) в р – и n –области имеет одинаковые значения. Образовавшаяся между полупроводниками р и n типа контактная разность потенциалов (FG) φ _к определяется формулой 22.

В р–n– переходе, включенном в прямом направлении (+ к р, - к n), напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода. Уровень Ферми и потенциальный барьер (формула 23) изменяются на величину поданного прямого напряжения. Пространственный заряд на p - n - переходе уменьшится, а стало быть и уменьшится ширина р-n-перехода (ф.24 и 25).Возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер и под действием разности (градиента) концентраций происходит диффузия основных носителей - процесс инжекции. При некотором U начинает протекать прямой ток (ф.26, рис.15 ВАХ 1,2,3).

В р–n– переходе, включенном в обратном направлении (-к р,+ к n), напряженность внешнего электрического поля совпадает по направлению с напряженностью внутреннего поля p-n-перехода. Уровень Ферми и потенциальный барьер (формула 23) изменяются на величину поданного обратного напряжения. Cлой отрицательных ионов в р-области и положительно заряженных ионов в n-области расширится (ф. 24 и 25). Основных носителей, способных преодолеть потенциальных барьер нет. Тока основных носителей нет. Электрическое поле для неосновных носителей является ускоряющим, поэтому они, попадая в область действия ЭП, дрейфуют в ту область, где они станут основными, т.е. происходит процесс экстракции – дрейф неосновных носителей заряда под действием Е. Ток неосновных носителей (ток экстракции, дрейфа, насыщения- ф.28) очень мал (т.к. мало неосновных носителей) и измерить его возможно только для узкозонных полупроводников (Ge). Поэтому считается, что р-n-переход обладает вентильными свойствами, т.е. пропускает ток в прямом включении (малое R_пр) и не пропускает в обратном (большое R_обр). Обратный ток в p-n-переходе, работающем при напряжениях много меньших напряжения пробоя, практически не зависит от приложенного напряжения (на рис.15 кривые 4, 5, 6).

Зависимость прямого тока, протекающего через переход, от поданного U определяется формулами 26 и 27, которые являются уравнениями вольт-амперной характеристики (ВАХ). На рис. 15 представлены ВАХ диодов из Ge (кривые 1, 6), Si (2,5) и GaAS (3,4). Напряжение, при котором диод открывается (кривые 1, 2, 3), определяется шириной запрещенной зоны ∆W, которая зависит от температуры (ф.21). У диода с большей будет больше высота потенциального барьера, следовательно, I_пр будет меньше при том же U_пр. С увеличением концентрации примесей (Na, Nd) высота потенциального барьера ∆φ будет увеличиваться, а значит, I_пр при том же U_пр будет меньше (рис.16 кривая 2 ). С увеличением температуры прямое напряжение умень­шается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера p-n-перехода и с перераспределением носителей заряда по энергиям (рис. 16 кривая 1). Допустимая температура составляет для GaAs-диодов +250⁰C, для Si-диодов- +120 ⁰С, а для Ge - +60 ⁰С. Минимальная температура, при которой могут работать ППП, составляет – 60 ⁰С. Преимуществом германиевых диодов перед кремниевыми является небольшое падение напряжения на переходе при прямом включении, но из-за температурной нестабильности (пробой германиевых диодов имеет тепловой характер) в последние годы Ge для производства диодов применяется редко.

Если представить диод эквивалентной схемой, то одним из ее элементов будет конденсатор, обкладкам которого служат р и n-области, а p-n-переход – диэлектриком. В прямом включении говорят о наличии паразитного параметра диода – диффузионной емкости (рис.20, кривая 2, ф.34), а в обратном включении – о барьерной (зарядной) емкости (ф.33, рис.20, кривая 1). Процессы накопления и рассасывания зарядов в этих емкостях влияют на длительность переходных процессов (в импульсном режиме), на инерционные и частотные свойства. Другими элементами экв.схемы явл. – сопротивление материала и сопротивление р-n-перехода, которое определяет основные параметры диодов: на постоянном токе – статическое сопротивление (ф.30), на переменном токе - дифференциальное сопротивление (ф.31) или величина, ему обратная - крутизна ВАХ (ф.32, характеристический треугольник на рис. 15, ВАХ 1).

На рис.2- условное обозначение выпрямительных и импульсных диодов: р-область называется анодом, n-область-катодом.

По размеру электрического перехода диоды классифицируют на плоскостные и точечные. Линейные размеры точечного перехода соизмеримы с шириной его обедненной области. Основное его достоинство малая емкость p-n- перехода, т.к. площадь контакта менее 50 мкм², I_пр < десятков мА. Они являются маломощными, но высокочастотными. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше ширины p-n-перехода называют резким переходом, а больше – плавным.

Выпрямительный диод предназначен для преобразования двухполярного напряжения в однополярное, из которого затем с помощью фильтра (конденсатор на рис.17) и стабилизатора получают постоянное напряжение. Применяются во вторичных ИП и пр.

Импульсный полупроводниковый диод — предназначен для применения в импульсных режимах работы, имеет малую длительность переходных процессов. Для уменьшения длительности перех. пр. в кремний добавляют золото в качестве рекомбинационных ловушек. Лучшими импульсными характеристиками обладают GaAs диоды с переходом Шоттки. Накопление неравновесных носителей заряда в металле отсутствует, поэтому его импульсные характеристики определяются только барьерной емкостью и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния (10^–11с). Импульсные диоды могут работать как от генератора тока (рис 18) так и от генератора напряжений (рис.19) при высоком уровне инжекции(больших прямых токах). Чем меньше время установления прямого напряжения -t_х на рис.18, или время восстановления обратного сопротивления t_х на рис.19, тем ИД более быстродействующий. Другими параметрами ИД являются: прямое напряжение (обозначено буквой А), обратное напряжение (буква В), С - прямой ток, D- ток насыщения.

Лист 7 Варикап

Варикап [1] — это полупроводниковый конденсатор, емкость которого уменьшается с ростом (по модулю) обратного напряжения. Условное обозначение представлено на рис.1. Маркировка содержит 3 элемента: 1 буква указывает на материал из которого сделан ППП, 2 буква-назначение прибора (В-варикап, С-стабилитрон), следующие 3 цифры обозначают функциональное назначение: 101…199 Подстроечные варикапы; 201…299 Умножительные (Рис.2). Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и т.д.

Зависимость емкости от напряжения смещения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей, и определяется профилем легирования базы варикапа, что влияет на вид зависимости С(U): линейно убывающая, экспоненциально убывающая. На рис.6 кривая 1 – вольт-фарадная характеристика (ВФХ) варикапа, изготовленного по планарно–эпитаксиальной технологии, 2 – сплавного варикапа, 3 – диффузионного варикапа.

В сплавных варикапах с резким р-n- переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения получается более резкая, чем в диффузионных. Связано это с тем, что глубина проникно­вения электрического поля в материал зависит от удельного сопро­тивления этого материала. В сплавном варикапе слои базы, приле­гающие к переходу, легированы равномерно, а в диффузионном — при удалении от перехода концентрация нескомпенсированных примесей увеличивается, т. е. уменьшается удельное сопротив­ление. ВФХ для сплавных и диффузионных варикапов аппроксимируются выражением на рис.3, где m – коэффициент нелинейности ВФХ (m =0,5 для сплавных, m =0,3 для диффузионных).

Основные параметры: Емкость варикапа Cв — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад.

Максимальная емкость -С _max – емкость, измеренная при U _min. Минимальная емкость С _min– емкость, измеренная при U _max. Коэффициент перекрытия по емкости - (формула 5) отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений. Значение этого параметра составляет обычно несколько единиц (от 2 до 20 ). Добротность варикапа Q _в - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность (формула 4) — это величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь. Ее измеряют обычно при тех же напряжениях смещения, что и емкость. Значение добротности — от нескольких десятков до нескольких сотен (20...400).

На низких частотах в эквивалентной схеме варикапа (рис.8) можно не учитывать малое сопротивление базы r_б по сравнению с боль­шим емкостным сопротивлением барьерной емкости и большим активным сопротивлением перехода. Т.о., упрощенная эквивалентная схема варикапа представ­ляет собой параллельное соединение барьерной емкости и сопро­тивления перехода. Для параллельной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь и добротность определяются выражениями на рис. 10. Следовательно, добротность варикапа на НЧ растет с увеличением частоты, так как изменяется соотношение между реактивной и активной проводимостями варикапа (рис. 7). Для изготовления низкочастотных варикапов целесообразно использовать полупроводниковые материалы с большой шириной запрещенной зоны (кремний, арсенид галлия).

На высоких частотах в эквивалентной схеме варикапа можно не учитывать большое активное сопротивление перехода по сравнению с малым парал­лельно включенным емкостным сопро­тивлением барьерной емкости. Но при этом нельзя пренебрегать сопротивлением базы, которое может оказаться сравнимым с емкостным сопротивле­нием барьерной емкости. Таким образом, на ВЧ упрощенная эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное соединение Сб и Rб. Для последовательной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь и добротность определяются выражениями на рис.11. Из рис.7 видно, что добротность варикапа при высоких частотах уменьшается с увеличением частоты, так как уменьшается отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Варикапы в основном применяют на высоких и сверхвысоких частотах. Поэтому определение одного из основных параметров варикапа — добротности — соответствует именно последователь­ной схеме замещения. Для ВЧ варикапов применяют материалы с большой под­вижностью носителей заряда (арсенид галлия, германий с электропроводностью n –типа и т. д.). Рабочий диапазон частот варикапа определяется значениями минимально допустимой добротности Q _min. (последние формулы на рис.10 и 11).На рис.9 представлен график зависимости Q ВЧ варикапа от Uобр при различных частотах.

Лист7 СТАБИЛИТРОНЫ и стабисторы

Стабилитрон - ППП, предназначен для стабилизации обратного напряжения, работает в режиме лавинного (слаболегированный высокоомный Si U_стаб>6B) или туннельного пробоя (сильнолегированный Si U_стаб<6B).

Стабистор - предназначен для стабилизации прямого напряжения (низкоомный Si U _стаб <0.7). Последовательное соединение двух или трех стабисторов дает возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации.

В маркировке отечественных стабилитронов первая буква (или цифра для приборов специального назначения) обозначает