Глава 5. Полупроводниковые приборы

§ 26. Полупроводниковые диоды

В настоящее время полупроводниковые приборы используются практически во всех областях электроники и радиотехники. Однако, несмотря на чрезвычайное разнообразие этих приборов, в основе их, как правило, лежит работа обычного p-n-перехода или системы из нескольких p-n-переходов.

Полупроводниковый диод содержит лишь один p-n-переход, к каждой из областей которого подведены с помощью омических контактов металлические вводы.

Выпрямительные диоды. Полупроводниковые диоды применяются в основном для выпрямления переменного тока. Простейшая схема использования полупроводникового диода в качестве выпрямляющего элемента показана на рисунке 72. Источник переменного напряжения u∼, диод Д и нагрузочный резистор R_н соединяются последовательно. Пропускное направление диода обозначено стрелкой (от анода к катоду).

Рис. 72

Пусть напряжение на зажимах источника изменяется по синусоидальному закону (рис. 73, а). Во время положительного полупериода, когда на анод диода подан "+", а на катод "-", диод оказывается включенным в прямом направлении и через него проходит ток. При этом мгновенное значение силы тока i определяется мгновенным значением напряжения u на зажимах источника и сопротивлением нагрузки (сопротивление диода в пропускном направлении мало, и им можно пренебречь). Во время отрицательного полупериода ток через диод практически не течет. Таким образом, в цепи протекает пульсирующий ток, график которого приведен на рисунке 73, б. Таким же пульсирующим будет и напряжение u_R на нагрузочном резисторе. Так как u_R = iR_н, то изменение напряжения u_R повторяет ход изменения тока i.

Рис. 73

Полярность напряжения, создаваемого на сопротивлении нагрузки, всегда одна и та же, и определяется она в соответствии с направлением пропускаемого тока: на конце сопротивления, обращенного к катоду, будет "+", а на противоположном конце "-".

Рассмотренная схема выпрямления является однополупериодной. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры. Наиболее простой метод сглаживания состоит в подключении параллельно нагрузочному резистору конденсатора С (на рисунке 72 он показан пунктиром). Во время положительного полупериода часть тока, пропускаемого диодом, идет на заряжение конденсатора. Во время же отрицательного полупериода, когда диод заперт, конденсатор разряжается через R_н, создавая в нем ток в прежнем направлении. Благодаря этому пульсации напряжения на нагрузочном резисторе оказываются в значительной мере сглаженными.

Стабилитроны. Мы уже знаем, что при электрическом пробое p-n-перехода сила тока через переход нарастает очень круто. Этот участок вольт-амперной характеристики может быть использован для стабилизации напряжения. Наилучшими для этой цели являются кремниевые диоды. На рисунке 74 приведена обратная ветвь характеристики такого диода, из которой видно, что при достижении напряжения пробоя очень незначительные изменения напряжения вызывают изменения силы тока через диод в очень широких пределах (в десятки раз).

Рис. 74

На рисунке 75 приведена схема стабилизации напряжения. Диод-стабилитрон включается параллельно нагрузке R_н, на которой необходимо создать стабилизированное напряжение при наличии колебаний напряжения на зажимах источника. Как видно из схемы, в цепь последовательно включается ограничительный резистор. Его сопротивление R_огр подбирается так, чтобы через стабилитрон шел ток, соответствующий средней части рабочего диапазона (точка Р на рисунке 74). Если напряжение на зажимах источника, например, увеличивается, то будет увеличиваться и сила тока в цепи. Однако увеличение силы тока через стабилитрон (даже в значительных пределах) происходит при практически неизменном напряжении на нем, благодаря чему остается неизменным и напряжение на нагрузке R_н. Вместе с тем увеличение тока через ограничительный резистор приводит к возрастанию падения напряжения на нем. Таким образом, все изменение напряжения питания гасится ограничительным резистором, в то время как на сопротивлении нагрузки поддерживается постоянное напряжение U_ст.

Рис. 75

На основе кремниевых p-n-переходов в настоящее время изготовляются стабилитроны с напряжением стабилизации от 1 до 300 В.

Варикапы. В режиме обратного смещения работают и диоды, используемые в качестве переменной емкости, - варикапы. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, управляемых механически, изменение емкости варикапов осуществляется путем изменения значения обратного напряжения смещения. Схема включения варикапа для перестройки частоты колебательного контура приведена на рисунке 76.

Рис. 76

При изменении с помощью потенциометра R обратного напряжения, подаваемого на варикап, изменяется его барьерная емкость, благодаря чему изменяется и резонансная частота колебательного контура. Резистор R_доб, имея достаточно большое сопротивление, предотвращает шунтирование контура потенциометром R, а конденсатор С_р является разделительным. Если бы его не было, то варикап был бы накоротко замкнут катушкой L (по постоянной составляющей напряжения).