Выпрямительные диоды

Рис. 1.2

На рис. 1.2 показана схема включения и вольт-амперная характеристика диода.

Рис. 1.3

Диоды подразделяются на точечные, плоскостные и диффузионные. Плоскостные диоды обладают большей площадью и ёмкостью перехода. Схема замещения диода показана на рис. 1.3. Так как сопротивление емкости обратно пропорционально частоте напряжения, согласно формуле 1.3, то на высоких частотах сопротивление диода снижается практически до нуля, p-n-переход не работает на этих частотах.

, (1.3)

Для снижения паразитной ёмкости p-n-перехода используют точечные переходы, т.е. снижают площадь контакта, которая достигает в СВЧ-диодах порядка 1 мкм², а граничная частота детектирования – сотен ГГц.

При подаче прямого напряжения на диод меньше 0,3 В («+» на анод, «-» на катод), ток через диод не протекает.

Это напряжение необходимо для преодоления потенциального барьера контактного перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток резко увеличивается и имеет близкую к квадратичной зависимость от напряжения.

Дальнейшее повышение напряжения может привести к превышению максимально допустимого значения тока, а температура в области катода, где происходит рекомбинация электронов и дырок, может превысить максимально допустимое значение. В этом случае происходит необратимый процесс теплового пробоя p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения, ширина p-n-перехода увеличивается, тем самым ограничивается число инжектируемых электронов из n- в p-область. При достижении U_ПР происходит электрический пробой (процесс обратимый). При дальнейшем повышении напряжения электрический пробой переходит в тепловой (необратимый процесс).

Стабилитроны

Принцип действия основан на обратимом электрическом пробое.

При достижении обратного напряжения U_ОБР=U_СТ происходит электрический пробой p-n-перехода, в результате ток через стабилитрон I_C резко возрастает (рис. 1.4). Стабилитроны серии Д814 имеют напряжение стабилизации от 3 до 20 В.

Рис. 1.4

Туннельный диод

Принцип действия основан на применении так называемого туннельного эффекта. Используется в быстро переключающих схемах и генераторах. Он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением на определенном участке ВАХ.

Согласно закону Ома . Если повышается напряжение, то ток должен увеличиваться для любого материала. Но при возникновении туннельного эффекта при повышении напряжения от U_min до U_max ток уменьшается (рис. 1.5).

Дифференциальное сопротивление на участке, где проявляется туннельный эффект, имеет отрицательное значение, а соотношение между максимальным и минимальным токами (рис. 1.5).

. (1.4)

Для получения генерации синусоидальных колебаний в контур включают туннельный диод. В результате алгебраическая сумма активных сопротивлений в контуре равна 0. Поэтому в контуре возникают незатухающие колебания. Отрицательное дифференциальное сопротивление получается за счёт эффекта туннелирования электронов из n-области в р-область противоположно направлению основного электрического поля, приложенного к туннельному диоду. В результате общее число электронов, прошедших через сечение p-n-перехода за единицу времени с ростом внешнего напряжения, уменьшается.

Варикап

Варикап представляет собой электрически управляемую ёмкость. Ёмкость, как известно из курса физики, представляет собой зависимость

(1.5)

Рис. 1.6

Т.к. ширина p-n-перехода d зависит от приложенного обратного напряжения U_обр, то при постоянстве абсолютной и относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p-n-перехода, ёмкость варикапа зависит только от расстояния d (рис. 1.6).

Под воздействием U_обр регулируется расстояние между p и n областями. Получаем зависимость: при повышении обратного напряжения ёмкость варикапа падает (рис. 1.6).

В качестве варикапов необходимо применять плоскостные диоды, чтобы увеличить ёмкость. Варикапы используются как подстроенные, электрически управляемые конденсаторы в колебательных контурах.

Ёмкость их порядка десятков пикофарад (пФ). Варикапы применяют для автоматической подстройки частоты колебаний для удержания её в заданных пределах.

Диод Шоттки

Использует контактные явления между полупроводником и металлом. Эффект Шоттки возникает лишь в том случае, когда работа выхода электронов в вакуум из металла больше, чем работа выхода электрона из полупроводника. При контакте полупроводника с металлом за счёт разности энергии выхода, электроны из полупроводника диффундируют в область металла, тем самым создают p-n-переход (рис. 1.7). За счёт отсутствия неосновных носителей заряда (дырок) в металле переход из открытого в закрытое состояние практически безынерционен (время перехода 1¸2нс).