Стабілітрони і стабістори

Для стабілізації напруг від кількох одиниць до кількох десятків вольтів використовуються спеціальні кремнійові площинні діоди, які мають назву стабілітронів або опорних діодів. Для їх роботи використовують зворотну ділянку вольтамереної характеристики (ВАХ) при напрузі, що відповідає напрузі пробою (рис.2.3).

На цій ділянці, починаючи з деякої напруги, позначеної як U_CT, спостерігається стрімке зростання зворотного струму. Особливість цієї ділянки ВАХ полягає в тому, що на ній диференціальний опір , визначений як нахил характеристики до вісі ординат, набагато менший від омічного опору , який можна зобразити як нахил січної “0b“ до тієї ж вісі. У стабілітронах ця відмінність є величиною одного-двох порядків.

Схему стабілізатора напруги зі стабілітроном зображено на рис.2.4. Вона є подільником вхідної напруги , яку вважатимемо складеної з постійної (режимної) напруги і деякого невеликого приросту . Відповідно і вихідну напругу і струм можна зобразити як суми подібних же складових:

+

Для постійної складової струму стабілітрон є омічним опором , отже відношення до можна записати так:

.

Але для приросту струму стабілітрон є диференціальним опором і тоді відношення до буде дорівнювати

.

Тепер запишемо співвідношення відносних приростів напруг на вході і на виході:

.

Це і є коефіцієнт стабілізації , який показує, наскільки відносні коливання напруги на виході менші ніж на вході. Оскільки звичайно , то ця величина буває досить значною.

Робоча ділянка характеристики стабілітрона обмежена граничними струмами: від , починаючи з якого хід характеристики стає прямолінійним, до , вище якого перегрівання стабілітрона стає небезпечним. Від ширини цієї ділянки ВАХ залежать допустимі зміни , в межах яких можлива успішна стабілізація вихідної напруги.[2]

Аналогічно працює і стабістор, який являє собою звичайний діод у режимі провідності. Тут також використовується відмінність між диференціальним та омічним опорами діода, але вже для прямого струму (див. рис.2.1). Ця відмінність особливо помітна для малих струмів. За допомогою стабістора вдається стабілізувати малі напруги порядку десятих часток вольта.

Варікап

Як вже йшлося, при запірній полярності на границі p-n переходу утворюється шар, збіднений носіями заряду, який має властивості діелектрика. Ємність утворена цим шаром, називається бар’єрною ємністю. Оскільки товщина збідненого шару залежить від прикладеної запірної напруги, з’являється можливість керувати величиною бар’єрної ємності шляхом зміни величини цієї напруги. Зазначений ефект використовують у спеціальних напівпровідникових приладах, так званих варікапах для створення електрично керованих ємностей. [3]

Вольтфарадна характеристика варікапа зображена на рис.2.5. Загальна ємність варікапа може змінюватись у півтора-два рази при середньому значенні порядку одиниць, десятків або сотень пікофарад. Варікапи можуть використовуватися, наприклад, для електричного налаштовування коливних контурів у радіоприймальних пристроях.

Тунельний діод

Принцип дії тунельного діода ми тут не розглядатимемо, оскільки для того, щоб його зрозуміти, потрібні спеціальні знання з квантової механіки та фізики твердого тіла. Обмежимось лише розглядом його вольтамперної характеристики, яка має досить специфічний вигляд (рис.2.6).

При зворотній полярності тунельний діод відкритий (ділянка ao). При прямій полярності ділянка зростання струму ob переходить у ділянку bc, де збільшення напруги супроводжується зменшенням струму. На цій ділянці диференціальна провідність тунельного діода (та його диференціальний опір) будуть від’ємними, хоча омічний опір залишається позитивним. Далі, починаючи з точки с спостерігається нове зростання струму і на ділянці cd диференціальна провідність знову стає позитивною.

Існування режиму з від’ємним диференціальним опором є дуже цікавою властивістю тунельного діода, яка обумовлює можливість його використання для генерації високочастотних коливань.

Варіантом тунельного діода є так званий обернений діод, у якому немонотонність ходу вольтамперної характеристики при прямій полярності зведена до нуля (рис.2.7). Його ВАХ нагадує вольтамперну характеристику звичайного діода, але повернуту навколо початку координат на 180^О. Відкритою полярністю для нього є зворотна, а закритою - пряма. Обернений діод може бути використаний для детектування сигналів. Як тунельний, так і обернений діоди знаходять застосування у техніці надвисоких частот.