Високочастотні і імпульсні діоди. Діол Шотткі

Високочастотні діоди – призначені для випрямлення струмів ВЧ, модуляції, детектування та інших нелінійних перетворень електричних сигналів частотою до 1000 МГц.

Структура p-n – переходу – точкова.

Способи створення – формовка.

Основні матеріали – кремній і германій.

Принцип дії - однобічна провідність p-n – переходу.

Основна характеристика – ВАХ (рис.22,а).

ВАХ ВЧ діодів відрізняється від НЧ тільки зворотною гілкою:

- зворотний струм менше, бо мала площа р-п переходу;

- ділянка насичення мала і невиразна;

- зворотний струм майже пропорційний зворотної напрузі;

- вплив температури значно менший ніж у НЧ на зворотний струм.

Подвоєння зворотного струму відбувається при прирості температури на 15-20°С. У площинних р - n - переходах зворотний струм зростає приблизно в 2-2,5 рази при підвищенні температури на кожні 10 °С (рис.22,б)

                                     Рисунок 22 – ВАХ ВЧ діодів

Умовне графічне зображення, схема включення – такі самі, як і для НЧ.

Основні параметри: такі самі, як і у НЧ + додаткові:

- загальна ємність діоду С_д - ємність, між виводами при заданих напрузі зміщення та частоті;

- диференційний опір r_диф — відношення приросту напруги на діоді до малого приросту струму, що викликав його r_диф = ∆U/∆I;

- діапазон частот ∆f — різниця крайніх значень частот, на яких середній випрямлений струм не менший певної частки його значення на НЧ.

Імпульсні діоди призначені для роботи в швидкодійних імпульсних схемах з часом перемикання 1 мкс і менш.

Структура р-п переходу – точкова або меза-структура.

Основні матеріали: кремній і германій.

За способом виготовлення р-п переходу імпульсні діоди діляються на точкові, сплавні, зварні і дифузійні (меза і планарні).

Конструкція точкових імпульсний діодів практично не відрізняється від конструкції звичайних високочастотних діодів.

Простіша схема включення імпульсного діода приведена на рис. 23,а.

Основна характеристика імпульсних діодів - перехідна характеристика. Вона відображає процес відновлення зворотного струму і зворотного опору діода при дії на нього імпульсної напруги зворотної полярності (рис. 23, в).

 

Рисунок 23 – Схема вмикання (а) та перехідні характеристики імпульсного діода (б,в)

 

Основні параметри:

- час відновлення зворотного опору τ_в - інтервал часу від моменту проходження струму через нуль після переключення діода із заданого прямого струму в стан заданої зворотної напруги до моменту досягнення зворотним струмом заданого низького значення;

- заряд переключення Q_пк  - частина накопиченого заряду, що витікає у зовнішне коло при зміні напряму струму з прямої на зворотну;

- загальна ємність С_Д  - ємність, зміряна між виводами діоду при заданих напрузі зміщення і частоті;

- імпульсна пряма напруга U_пр.і – пікове значення прямої напруги на діоді при заданому імпульсі прямого струму;

- Імпульсний прямий струм І_пр.і.  - пікове значення імпульсу прямого струму при заданій тривалості, скважності і формі.

Імпульсні діоди широко застосовуються в імпульсних схемах різного призначення, наприклад в логічних схемах електронних цифрових обчислювальних машин.

Діод Шоттки - це НП діод, випрямні властивості якого ґрунтуються на використанні випрямного електричного переходу між металом та збідненим шаром напівпровідника.

Контакт (p-n- перехід) являє собою тонку плівку металу (золота Au, нікелю Ni, алюмінію Al, платини Pt, вольфраму Wo, молібдену Mo, ванадію Va і ін.). Прилади, що використовують контакт метал — напівпровідник, працюють на основних носіях заряду, що зменшує їх інерційність, підвищує швидкодію. Час перемикання діодів Шоттки із закритого стану у відкритий і навпаки визначається малою величиною бар'єрної ємності, яка звичайно не перевищує 0,01 пФ.

Основна перевага діодів Шоттки в порівнянні з діодами на р-п переходах — можливість отримання менших значень прямого опору контакту, оскільки металевий шар по цих властивостях перевершує будь-який, навіть сильно легований шар напівпровідника.

Малий прямий опір і невелика ємність бар'єру Шоттки дозволяє діодам працювати на надвисоких частотах. Типовий діапазон робочих частот складає 5—250 ГГц, а час перемикання — менше 0,1 нс. Зворотні струми діодов Шоттки малі і складають декілька мікроампер. Зворотні напруги лежать в інтервалі 10...1000 В.

Умовне позначення на схемі на рис.24.

 

Рисунок 24 – Умовне позначення на схемі діода Шотткі

 

ВАРИКАПИ

Варикап – це НП діод, принцип дії якого базується на залежності бар′єрної ємності закритого р-п переходу від величини зворотної напруги, тобто це конденсатори змінної ємності, які керуються не механічно, а електрично, тобто зміною зворотної напруги.

Відміність від звичайного конденсатора: у звичайному конденсаторі відстань між його пластинами, а отже, і його ємність не залежать від напруги, прикладеної до конденсатора.

Основний матеріал – кремній і арсенід галію.

Структура р-п переходу – площинна.

На рс.25,а наведена схема вмикання варикапа. На варикап подають зворотну напругу.

               

                              а)                                                                 б)

Рисунок 25 – Схема вмикання (а) та вольт-фарадна характеристика варикапа

 

Зміна зворотної напруги, прикладеної до р-п переходу, приводить до зміни бар'єрної ємності між р- і n-областями. Величина бар'єрної ємності діода С_б може бути визначена з формули

С_б = εS/4πd,

де ε — відносна діелектрична проникність напівпровідника;

S — площа р-п переходу;

d — ширина р-п – переходу.

Ширина р-n - переходу залежить від величини прикладеної до нього напруги, отже, бар'єрна ємність залежить від напруги: при зростанні зворотної напруги ширина р-п переходу збільшується, а його бар'єрна ємність зменшується.

Основна характеристика варикапа - залежність його ємності від величини зворотної напруги С_б = f (U_зв) (вольт - фарадна характеристика) (рис.25,б).

Залежно від призначення величина номінальної ємності варикапів може бути в межах від декількох пікофарад до сотень пікофарад. Залежність ємності варикапа від прикладеної напруги визначається технологією виготовлення р-п переходу.

Основні –

- номінальна ємність С_ном — ємність між виводами варикапа при номінальній напрузі зміщення (звичайно U_зм = 4 В);

- максимальна ємність С_max— ємність варикапа при заданій мінімальній напрузі зміщення;

- мінімальна ємність С_min—ємність варикапа при заданій максимальній напрузі зміщення;

- коефіцієнт перекриття К_с — відношення максимальної ємності діода до мінімальної;

- добротність Q — відношення реактивного опору варикапу на заданій частоті до повного опору втрат при заданому значені ємності;

- максимально допустима напруга U_max – максимальне миттєве значення змінної напруги, яка забезпечує задану надійність при тривалій роботі;

- максимально допустима потужність Р_max – максимальне значення потужності, яка розсіюється на варикапі і при якій забезпечується задана надійність при тривалій роботі (не відбуівється пробій);

- температурний коефіцієнт ємності ТКС - відношення відносного змінення ємності при заданій напрузі до абсолютного змінення температури оточуючого середовища

ТКС = ∆С/С∆Т (1/град.);

В якості варикапів використовують кремнієві стабілітрони з напругою нижче ніж напруга стабілізації U_ст, коли зворотний струм ще малий, а, отже, зворотний опір дуже великий.

Застосування:для електричної переналадки частоти коливальних контурів, у схемах підсилення та генерації НВЧ сигналів (параметричні діоди), для помноження частоти у широкому діапазоні частот (варактори) у діапазоні коротких (КВ), ультракоротких (УКВ) та дециметрових (ДЦВ), в схемах автоматики та інші.

 

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

1 Для чого призначені випрямні діоди?

2 Як включаються випрямні діоди для отримання більш високої зворотної напруги?

3 Як включаються випрямні діоди для збільшення допустимого прямого струму?

4 Які види пробою характерні для НП діодів?

5 Які основні параметри випрямних діодів?

6 Чи можуть стабілітрони працювати в режимі теплового пробою?

7 За якими параметрами вибирається стабілітрон?

8 Які вимоги пред'являються до високочастотних діодів?

9 Визначите, в скільки разів зміниться опір постійному струму напівпровідникового діода типу Д305 (рис.) зі зміною прямої напруги від 0,1 В до 0,3 В при незмінній температурі навколишнього середовища Т = 20⁰С?

,

 

ВИКЛАДАЧ – Ковальова Т.І.

 

ЛЕКЦІЯ № 6, №7 (4 год.)