Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением (U_обр) называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р-области (рис. 2.3, а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 2.3, б):

j = U_к + U_обр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении U_обр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяется слой, обедненный носителями заряда, и расширяется p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал.

Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током (I_обр)..Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током
(I_обр = I_т), который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентраций в данной области около границы p-n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к p-n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу создает электрический ток в объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.

 

2.4. Вольт-амперная характеристика электронно-
дырочного перехода. Пробой и емкость
p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

,

где I₀ – тепловой обратный ток p-n-перехода; U_д – напряжение на p-n-переходе; j_т = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (j_к) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, j_т = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпе­ратура; q –заряд электрона

При отрицательных напряжениях порядка 0,1...0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е⁴» 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е⁴» 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I₀), а с дальнейшим увеличением U_обр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (U_{обр.проб}) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j₀) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (U_{обр.проб}). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар «электрон – дырка» также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6).

Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (см. рис. 2.5, вертикальный участок кривой 2). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, когда отводимое от перехода в единицу времени тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока, в результате чего происходит интенсивная генерация пар носителей заряда. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (см. рис. 2.6, кривая 3) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n-переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Изменение внешнего напряжения (dU) на p-n-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда (dQ). Поэтому p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого равна:

С = dQ / dU.

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский конденсатор, емкость которого определяется соотношением

,

где S, l(U) – соответственно площадь и толщина p-n-перехода.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n-переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина.

Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше U_обр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, а.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, б.

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном – барьерную.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Общие характеристики диодов

Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1). База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

ü выпрямительные;

ü стабилитроны;

ü варикапы;

ü туннельные;

ü импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

ü германиевые;

ü кремниевые;

ü из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

ü сплавные;

ü диффузионные;

ü планарные;

по частотному диапазону:

ü низкочастотные;

ü высокочастотные;

ü СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

ü плоскостные;

ü точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

.

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр = I₀ + I_тг + I_у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

· постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

· постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

· постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

· постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

· максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);

· максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

· дифференциальное сопротивление (r_диф);

· минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

.

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

.

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max} ≈ 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

.

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

· первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия;

· второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А – сверхвысокочастотный;	Б – с объёмным эффектом Ганна;
В – варикапы;	Г – генераторы шума;
Д – выпрямительные, универсальные, импульсные;	И – туннельные и обращенные;
К – стабилизаторы тока;	Л – излучающие;
Н – динисторы;	С – стабилитроны стабисторы;
У – тиристоры;	Ц – выпрямительные столбы и блоки;

· третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

· шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Виды диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямительным полупроводниковым диодом
(рис. 3.4) называется полупро­водниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n-перехода.

Выпрямительные диоды до­полнительно характеризуются электрическими величинами, опреде­ляющими их работу в выпрямителях:

· средним за период значением обратного напряжения (U_обр.ср);

· средним за период значением обратного тока (I_обр.ср);

· максимальным значением выпрямленно­го тока (I_{вп.ср.max});

· среднем за период значением прямого напряжения (U_пр.ср) при заданном среднем значении прямого тока.

Рабочая частота выпрямительных диодов: малой и средней мощности от 5 до 50 Гц, большой мощности от 50 до 500 Гц.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода (рис. 3.5) описывается уравнением:

,

где I₀– тепловой обратный ток; φ_т – температурный потенциал, при комнатной температуре 25 °С.

Импульсные диоды. Импульсный полупроводниковый диод – это диод имеющий малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Основное применениеимпульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов в цифровых схемах, кроме того, для детектирования высокочастотных сигналов и в высокочастотной преобразовательной технике.

При переключении диода с прямого напряжения на обратное, в начальный момент через диод течёт неуправляемый обратный ток (рис. 3.6). Этот обратный ток ограничен только объемным сопротивлением базы диода и сопротивлением нагрузки (R_H). С течением времени, накопленные в базе неосновные носители зарядов рекомбинируют или уходят из базы через р-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до обычного значения.

Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого напряжения на обратное, называется восстановлением обратного сопротивления диода. Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления (t_в). По его значению импульсные диоды делятся на 6 групп:

1) tв > 500 мс;	2) 150 < tв < 500 мс;
3) 30 < tв < 150 мс;	4) 5 < tв < 30 мс;
5) 1 < tв < 5 мс;	6) tв < 1 мс.

Стабилитроны. Полупроводниковый стабилитрон (рис.3.7) – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний. Участок 1 вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 3.8) соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.

Основные параметры стабилитрона:

1) напряжение стабилизации;

2) температурный коэффициент напряжения стабилизации;

3) минимальный ток;

4) максимальный ток;

5) дифференциальное сопротивление;

6) статическое сопротивление.

Напряжение стабилизации – это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации: от 3 до 400 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации является одним из наиболее важных параметров стабилитрона. Он определяется по формуле:

при I_ст = const.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает относительное изменение напряжения стабилиза­ции при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.

При лавинном характере пробоя a_ст положителен. С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, при понижении температуры – уменьшается. При туннельном пробое a_ст становится отрицательным, так как с увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, с понижением температуры увеличивается. Смена знака a_ст происходит при напряжении электри­ческого пробоя 5 – 6 В. Для уменьшения a_ст стабилитрона иногда применяют комбинацию из последовательно включенных (двух или более), специально подобранных p-n-переходов с противоположным по знаку температурным коэффициентом напряжения. Одним из ва­риантов температурной компенсации является включение последова­тельно со стабилитроном диода в прямом направлении.

Минимальный ток стабилитрона (I_ст.min) определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя p-n-перехода.

Максимальный ток стабилитрона (I_ст.max) определяется отношением максимально допустимой мощности к напряжению стабили­зации:

I_max» P_max / U_ст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в задан­ном диапазоне частот:

.

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше r_ст, тем лучше осуществляется стабилизация.

Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона на постоянном токе в рабочей точке определяется по формуле:

.

Cтабисторы. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Отличительной особенностью его по сравнению со стабилитроном является меньшее напряжение стабилизации, которое определяется прямым падением напряжения на диоде, и составляет 0,7 В.

Последовательное соединение двух, трёх и т.д. стабисторов даёт возможность получить удвоенное, утроенное напряжение стабилизации.

Стабистор имеет отрицательный температурный коэффициент и поэтому часто используется для температурной компенсации стабилитрона с положительным температурным коэффициентом. Для этого последовательно со стабилитроном необходимо включить один или несколько стабисторов.

Туннельные диоды. Туннельный диод (рис. 3.9) – это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого (рис. 3.10) имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды изготавливают из материала, имеющего повышенное количество примесей. В результате этого в туннельном диоде создаётся полупроводник с высокой концентрацией носителей зарядов, что приводит к малой толщине р-n-перехода и к большей величине диффузионного электрического поля.

При обратном включении туннельный диод работает в режиме туннельного пробоя.

Основные параметры туннельного диода:

1) пиковый ток (I_n)

2) ток впадины (I_в);

3) отношение (I_n / I_в);

4) напряжение пика (U_n);

5) напряжение впадины (U_вп).

Туннельные диоды используют для генерации и усиления электрических колебаний и в переключающихся схемах.

Обращённые диоды. Обращённым называют диод (рис. 3.11), у которого проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом. Прямая ветвь ВАХ обращённого диода (рис. 3.12) аналогична ВАХ туннельного, а обратная ветвь ВАХ аналогична ВАХ выпрямительного диода.

Основные особенности обращённого диода:

1) способны работать только в диапазоне малых напряжений.

2) обладают хорошими частотными свойствами.

3) малочувствительны к воздействию проникающей радиации.

Варикапы. Варикап – это полупроводниковый диод (рис. 3.13), действие которого осно­вано на использовании зависимости емкости от обратного напряже­ния и который предназначен для применения в качестве элемента с элек­трически управляемой емкостью. Принцип действия варикапа основан на свойстве зарядной емкости обратно смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 3.14) – зависимость емкости варикапа (С_в) от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости (С_в) может изме­няться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

· емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (С_в);

· коэффициент перекрытия по емкости (К_С), используе­мый для оценки зависимости C_в = f (U­_обр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напря­жения (К_С = 2...20);

· температурный коэффициент емкости, который характери­зует зависимость параметров варикапа от температуры:

ТКЕ_в = DС_в / (С_вDT),

где DС_в/С_в – относительное изменение емкости варикапа при из­менении температуры DT окружающей среды.