Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 2.7), т.е. с большим значением крутизны DI/DU (DI = I_{СТ MAX} – I_{СТ MIX}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ соответствует напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n-перехода при некотором заданном токе стабилизации I_СТ (рисунок 2.7). Возможности получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона r_Д = DU/DI, которое должно быть как можно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ MIN} и I_{CT MIN}, дифференциальное сопротивление r_Д, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации ΔU_СТ при изменении температуры корпуса прибора на 1^о С.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_cт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

Рис. 2.7. К определению

параметров стабилитронов

Простейшая схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона представлена на рисунке 2.8. Сопротивление нагрузки R_Н подключается параллельно стабилитрону, гасящее сопротивление R_Г служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 2.8. Схема включения стабилитрона

Тогда:

(2.3)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид:

(2.4)

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка. На рисунке 2.9 приведена характеристика стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух напряжениях питания U_П1 и U_П2. При изменении напряжения источника питания (напряжения на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

Рис.2.9. Характеристика стабилитрона с нагрузочными характеристиками.

Т.к. входное напряжение может, как увеличиваться, так и уменьшаться, то рабочая точка выбирается на середине участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитрон I_СТ1 и I_СТ2 будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство p-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рисунок 2.10).

Основные параметры варикапа: номинальная емкость С_Н при заданном номинальным напряжением U_Н (обычно 4 В ), максимальное обратное напря- жение U_{обр MAX} и добротность Q.

Рис. 2.10. Зависимость емкости варикапа от напряжения.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Включение варикапа в цепь для этой цели выполняют по схеме в соответствии с рисунком 2.11.

Обратное напряжение на варикап подается через высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование контура малым внутренним сопротивлением источника питания, и тем самым исключается снижение добротности контура. Постоянный конденсатор С необходим для того, чтобы исключить короткое замыкание варикапа индуктивностью по постоянному напряжению. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа. Изменяя величину обратного напряжения можно регулировать емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура.

Рис.2.11. Схема включения варикапа в колебательный контур

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

, где (2.5)

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапов служит кремний. Используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Основное применение варикапов - электрическая перестройка частоты колебательных контуров. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p). Крайние области называются эмиттер и коллектор, а средняя – база. Условные изображения таких структур и условные графические обозначения на принципиальных схемах показаны на рисунке 3.1. Контакты с областями БТ обозначены буквами: Э - эмиттер; Б - база; К - коллектор.

а) типа n-p-n	б) типа p-n-p
Рис. 3.1. Структуры БТ:

Упрощенное устройство планарного транзистора (т.е. выводы сделаны в одной плоскости) типа n-p-n изображено на рисунке 3.2. Обязательным

Рис. 3.2. Структура БТ типа n-p-n

условием работы транзистора является то, что эмиттерная область выполняется с высокой концентрацией примесей и обозначена верхним индексом «+» (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Область n является коллектором. Соответственно область p являетсябазовой(или базой).

Область n⁺ под выводом коллектора служит для исключения выпрямляющего контакта и создания омического контакта между выводом и телом коллектора. Переход n⁺- р между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n между базой и коллектором - коллекторным. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (рисунок 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода.