Түзеткіш диодтар

Түзеткіш диод айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіруге арналған аспап. р-n өткелдің бір жақты өткізгіштік қасиеті пайдаланылады. Негізгі заряд тасушылардың концентрациясы жоғары электрод эмиттер (Э), ал негізгі заряд тасушылардың концентрациясы аз электрод – база (Б) деп аталады.

Көп жағдайларда түзеткіш диодтар жазық болып келеді, германий диодтардың р-n өткелін тек балқыту әдісімен жасайды, ал кремний диодтарды жасауға балқыту және диффузиялық әдістерді пайдаланады. Үлкен шамалы түзетілген токтарды алу үшін түзеткіш диодтарда үлкен ауданды электрондық-кемтіктік өткелдерді пайдаланады, өйткені диодтың қалыпты жұмыс істеуі үшін өткелден өтетін токтың тығыздығы 1…2 А/мм² –ден аспауы қажет.

Кремний диодтар аса жоғары температураларда жұмыс істеу қабілетін сақтайды, ал германий диодтар температура 85°С-ден асқанда өз қасиеттерін жоғалтады. Кремний диодтар меншікті электр өткізгіштігінің төмендігіне байланысты кері бағыттағы кернеудің ең үлкен шамасы 1500 В-қа дейін шыдайды, германий диодтарда 400…500 В-тан аспайды. Бірақ кремний диодтарда тура ығысу кезіндегі кернеу түсуі (2 В дейін) германий диодқа (1 В-тан аз) қарағанда жоғары.

Түзеткіш диодтың негізгі сипаттамасы оның вольт-амперлік сипаттамасы болып табылады. 4.1-суретте р-n өткелдің (1) немесе диодтың (2) теориялық және нақты ВАС-ы келтірілген.

Нақты ВАС-ның теориялықтан айырмашылығы:

а) аз тура ток облысында сипаттамалар бір-біріне сәйкес те, ал тура токтың үлкен шамаларында шала өткізгіштер мен электродтарда кернеу түсуі айтарлықтай болады. Нақты сипаттама түзуге жақын және теориялық ВАС-дан төмендеу өтеді;

б) кері кернеу өскенде ток баяу өседі, өйткені:

1) заряд тасушылардан өткелдегі жылу бөлу күшейеді. Өткел енінің үлкеюіне сәйкес оның көлемі және пайда болатын заряд тасушылардың саны өседі, демек жылулық ток өседі. Қауіпсіз кері кернеу 400 вольтке дейін, қауіпсіз температура (60-70)°С-ге дейін;

2) өткел бетіндегі иондық және молекулалық қабаттың пайда болуына байланысты р-n- өткелдің беттік өткізгіштігі өседі.

Диодтың даярлану материалына байланысты германий (Ge) және кремний (Si) диодтарының ВАС-ның айырмашылықтары 4.2-суретте көрсетілген. Кернеудің бірдей мәнінде германий диодтан өтетін токтың шамасы, кремний диодтікіне қарағанда жоғары екені көрінеді. Бұл германидегі тыйым салынған аймақ енінің, кремнийдікіне қараға­нда аздығымен түсін­діріледі. Температура­ның германий диодқа әсері 4.3-суретте көрсетілген. Температураның жоғарылауымен қосалқы заряд тасушылардың үлесі артатындықтан, кері ток та I_кері өседі . Түзеткіш шала өткізгіш диодтардың негізгі парамерлері:

- берілген тура токтағы I_тура тұрақты тура кернеу(U_тура);

- диод ұзақ уақыт қалыпты жұмыс істей алатын, кері кернеудіңең үлкен қауіпсіз шамасы U_{кері max};

- U_{кері max} кері кернеу кезінде диод арқылы өтетін тұрақты кері ток I_кері;

- температураның қауіпсіз шамасына дейін қызғанда диод арқылы ұзақ ағатын, орташа түзетілген ток I_түз.ор.;

- диодтың берілген сенімділігі қамтамасыз етілетін, диодтан тарайтын қуаттың қауіпсіз шамасы P_max.

Түзетілген токтың орташа ең үлкен қауіпсіз шамасына байланысты диодтар аз қуатты (0,3 А-ге дейін), орташа қуатты (0,3...10 А) және жоғары қуатты (10 А-ден аса) болып бөлінеді. Жоғары қуатты түзеткіш диодтар кейде күштік деп аталады.

Диодтардың жалғануы

Кейде диодтардың параллель немесе тізбектей жалғануы пайдалнылады:

а) егер U_кері>U_{кері қос.} болса, онда тізбектей жалғануы пайдаланылады (4.4,а-сурет). Вентильдердегі кері кернеулерді бір қалыпты бөлу мақсатында диодтардың кері бағыттағы кедергілерін теңестіру үшін оларды, R_ш резисторларымен орағыту қажет R_ш=(0,1¸0,2)R_кері. Өнеркәсіпте диодтар бағанасы деп аталатын 5-тен 50-ге дейін тізбектей жалғанған диодтар кешені шығарылады, олардың кері бағыттағы кернеуі U_кері 2…40 кВ аралығында жатады;

б) егер I_тура.>I_{тура қос.}, онда диодтардың параллель жалғануы қолданылады (4.4,б-сурет). Мұнда диодтардың тура бағыттағы кедергілерін теңестіру үшін оларға тізбектей кедергісі аз қосымша резисторлар жалғанады R_қос = (5¸10)R_қ.тура.

Аз қуатты бірдей диодтар тобын көбінесе диодтық матрица және диодтық жиынтық түрінде шығарады. Диодтық матрицаларда диодтар бір ортақ шықпаға қосылған, бұл олардың логикалық құрылғыларда және дешифраторларда пайдаланылуын жеңілдетеді, диодтық жиынтықтарда параллель, тізбектей, көпірлік және басқа да жалғанулар қолданылады.

Түзеткіш шала өткізгішті диодтар төмен жиілікті болып табылады және 50…10⁵ Гц жиіліктер деңгейінде жұмыс істеуге қабілетті (қуатты диодтар 50 Гц жиілікте жұмыс істейді).

Импульстік диодтар

Импульстік диодтар импульстік режимде жұмыс істеуге арналғандықтан, ондағы өтпелі процесстердің ұзақтығы аз болуы қажет. Негізгі параметрі – шапшаңдық, яғни диодтың ашық күйден жабық күйге ауысып қосылуы және керісінше өту уақыты.

Тура кернеудің U_тура керіге U_кері ауысып қосылуы кезінде тасушылардың кері сіңірілуі лезде болмайды, ол кері кедергінің қалпына келу уақытымен t_{қалп.кел.} сипатталады (4.5 -сурет).

Диодтың ашылуы кезінде тура ток I_тура импульсі беріліп, қозғалмалы тасушылар жинақталады, оның ұзақтығы тура кедергінің қалпына келу уақытымен t_{қалп.кел.} сипатталады.

4.4 Стабилитрондар

Стабилитрондар – бұл тесілу кернеуі қалыпты және тесілу нүктесінде кері ток күрт өсетін кремнийден жасалған жазық диодтар. Ондағы кернеу, берілген аяда өтетін токты өлшеу кезінде, белгілі дәлдікпен сақталады. Диодтың жұмыс істеу принципі құйындық тесілуді пайдалануға негізделген.

Қоспалардың үлесінің жоғары шамасына және өткелдің тарлығынан құйындық тесілу кері кернеулердің аз шамасында пайда болады. Өндірілуші қуат аз болғандықтан, құйындық тесілу жылулыққа ауыспайды.

Өнеркәсіпте шығарылатындар:

а) қорек көздерін тұрақтандыру сұлбаларында, кернеу шектегіштерде пайдаланылатын, жалпы мақсатта пайдаланылатын стабилитрондар;

б) аса дәл стабилитрондар – кернеу деңгейін жоғары дәлдікпен тұрақтандыру шы және жылу ықпалын азайтушы сұлбаларда;

в) импульстік – тұрақты және импульстік кернеуді тұрақтандыруға арналған;

г) екі анодты – кернеу тұрақтандыру сұлбаларында, әр түрлі полюсті кернеулерді шектегіштерде;

д) стабисторлар – кернеудің аз шамаларын тұрақтандыру үшін және темеператураның өзгеруі кезінде берілген тұрақтандырылған кернеудің шамасын тұрақты ұстауға арналған температура өзгерісінің әсерін азайтатын элемент ретінде.

Стабилитронның вольтамперлік сипаттамасы 4.6,а - суретте келтірілген. 4.6,б - суретте параметрлік кернеу тұрақтандырғыш бейнеленген, оның жұмыс істеу принципі Е кернеуінің өзгеруі барысында стабилитрон арқылы өтетін ток өзгереді, ал стабилитрондағы және оған қосар жалғанған жүктемедегі кернеу өзгермейді деуге болады.

Стабилитронның вольтамперлік сипаттамасына E = I_СТ R_б + U_СТ жүктеме сызығын жүргізейік. I_СТ = 0 болғанда U_СТ = Е, U_СТ = 0 болғанда I_СТ =E/R_б.

Осы нүктелерді қосайық. Е артқан кезде жүктеме сызығы солға қарай параллель жылжиды, жұмыс нүктесі (жүктеме сызығының ВАС-мен қиылысу нүктесі) төмен ығысады, яғни стабилитрон арқылы өтетін ток өседі. Артық кернеу балластық кедергіге R_б түседі, ал стабилитрондағы және тиісінше жүктемедегі кернеу өзгеріссіз қалады.

Кремний стабилитрондардың негізгі параметрлері:

а) тұрақтандыру кернеуі U_СТ;

б) ең кіші I_{СТ min} және ең үлкен I_{СТ mах} тұрақтандыру токтары;

в) ортаға тарайтын қуаттың ең үлкен шамасы Р_mах ;

г) дифференциалдық кедергі r_дф = dU_CТ / dI_CТ ;

д) кернеудің температуралық еселігі (КТЕ) - тұрақтандыру тогіның тұрақты мәнінде U_CT-ның салыстырмалы өзгерісінің температураның абсолюттік өзгерісіне қатынасы.

Қазіргі заманғы стабилитрондарда тұрақтандыру токтары 1 мА-ге 2 А-ге дейін өзгергенде тұрақтандыру кернеуі 1В пен 1000 В аралығында жатады. I_{СТ min} = 1…10 мА мәні стабилитрон сипаттамасының бейсызықты бөлігімен шектелсе (тұрақтандырудың басы), I_{СТ mах} = 50…2000 мА аралығында шала өткізгіштің қауіпсіз температурасымен шектеледі (жылулық тесілудің басымен).

1 В-қа дейінгі төмен кернеулерді тұрақтандыру үшін стабистор деп аталатын кремний диодтың ВАС-ның тура тармағы пайдаланылады.

Тұрақтандыру бөлігіндегі дифференциалдық кедергі шамамен тұрақты және көптеген стабилитрондар үшін 0,5…200 Ом аралығында болады. Темепературалық еселік жоғары вольтті стабилитрондарда оң да, төмен вольттілерде теріс болады, 5 В шамасындағы кернеу аймағында оның мәні нөлге жақын.

Варикаптар

Варикаптың жұмыс істеу принципі р-n өткелдердегі тосқауылдық сыйымдылықтың келтірілген кері кернеуге тәуелділігне негізделген. Варикап басқарылатын сыйымдылық болып табылады. Варикаптарды сонымен қатар параметрлік диодтар және варакторлар деп те атайды. 4.7-суретте варикап сыйымдылығының келтірілген кері кернеуден тәуелділігі келтірілген.

Варикаптың сыйымдылығы түсірілген кері кернеуге кері пропорционалды.

Варикаптар кремнийден жасалады да электрмен басқарылатын сыйымдылығы бар элементтер ретінде пайдаланылады. Көбінесе алыстан басқару және жиілікті автоматты реттеу жүйелерінде қолданылады.

4.8-суретте варикаптың тербелмелі контурға айнымалы сыйымдылық ретінде қосылу сұлбасы келтірілген.

Мұндағы R₁ контурдың алғырлығы R-дің әсерінен төмендемес үшін қосылған. C_р– бөлгіш сыйымдылық, тұрақты кернеуді катушкаға өткізбеу үшін. R-дің көмегімен кері кернеуді U_кері өзгерте отырып, контурдың резонанстық жиілігін өзгертуге болады.

Туннельдік диодтар

Диодтың жұмыс істеуі туннельдік құбылысқа негізделген.

Диод құлдыраған (вырожденный) шала өткізгітердің негізінде жасалған. Қоспалардың үлесі 10²¹ см^-3 , сондықтан диодтың р-n өткелі өте тар.

Ферми деңгейі р- облыста валенттік аймаққа, n-облыста өткізгіштік аймаққа ығысады. Энергиялық аймақтар өзара араласып, заряд тасушылар басқа энергиялық аймаққа өтеді де, онда қосымша энергия шығындамай негізгіге айналады, сондықтан диодтардың инерциялылығы аз болады. Сонымен қатар бұл диодтардың температуралық тұрақтылығы және радияцияға орнықтылығы жоғары болып келеді.

Вольтамперлік сипаттамасы 4.9-суретте келтірілген. ВАС-да теріс кедергі бөлігі бар (аб). Туннельдік әсер кері және шамалы тура кернеулерде, өткізгіштік аймағының түбі валенттік аймақтың төбесінен төмен кезде (г0аб бөлігі) орын алады. бв бөлігінде – диффузия.

Туннельдік диодтар германийден, кремнийден және галий арсенидінен жасалады. Сигналды күшейтуде, туындатуда, түрлендіруде қолданылады.

Кері диодтар

Кері диодтар – бұл туннельдікке қарағанда қоспалардың концентрациясы төмен (≈10¹⁹ см^-3) диодтар. Энергетикалық деңгейлер жабылмайды, Ферми деңгейі р-облыстың валенттік аймағының төбесімен және n-облыстың өткізгіштік аймағының түбімен сәйкес келеді, және туннельдік әсер кері кернеу кезінде ғана сақталады. Вольт-амперлік сипаттамасы 4.10-суретте келтірілген. Мұндағы 0г бөлігінде туннельдік әсер орын алады, ал 0бв бөлігінде – диффузия.

Диодтар әлсіз сигналдарды көрсету және табу сұлбаларында, ауыстырып қосу сұлбаларында, бөліп шығарушы аспаптарда (детектор) пайдаланылады.

Шоттки диодтары

Шоттки диодының жұмысы негізінде жоғары сапалы кремний, молибден, нихром, алтын, платина немесе алюминийден жасалатын металл-шала өткізгіш түзеткіш беттесу (п. 2.9.1) пайдаланылады.

Шоттки диодының ерекшеліктері:

а) негізгі тасушыларда жұмыс істейді, қосалқы тасушылардың инжекциясы болмайды, диффузиялық сыйымдылық нөлдің шамасында, жылдамдығы жоғары, өйткені ол тек тосқауылдық сыйымдылықпен анықталады;

б) тура кернеуі түзеткіш диодтардағыға қарағанда аз, шамамен 0,4 B;

в) вольт-амперлік сипаттамасының тура тармағы қатаң экспонентамен сипатталады;

г) параметрлік ауытқуы аз;

д) сенімділігі мен соққыға төзімділігі жоғары;

е) жылу тарату қасиеттері жоғары.

Осы ерекшеліктері арқасында Шоттки диодтарын жоғары жиілікті аналогтық және цифрлық сұлбаларда қолдану тиімді.

4.9 Аса жоғары жиілікті диодтар (АЖЖ)

Сигналдар қуатының деңгейін сантиметрлік және миллиметрлік диапазонда түрлендіру, бөліп алу, күшейту, көбейту, туындату және қуат деңгейін басқару үшін қолданылады. Бұл аспаптарда ауданы аз нүктелік р-n өткел пайдаланылады. Төменгі жиілікті диодтардан ерекшелігі, оның коаксиалды шықпасы бар. Араластырғыш диод АЖЖ сигналдарды аралық жиілікке түрлендіру үшін супергетеродиндік қабылдағыштарда, детекторлық диодтар – АЖЖ сигналдарын табуда, төменгі жиілікті сигналды модуляцияланған жоғары жиілікті сигналдан бөліп алуда пайдаланылады. Параметрлік диодтар параметрлік күшейткіштерде пайдаланылады. Көбейткіш диодтар – варикаптардың бір түрі – жиілік көбейткіштерінде қолданылады.

4.2-кестеде диодтардың графикалық шартты белгіленулері келтірілген.

4.2 Кесте

Атауы	Белгіленуі
Түзеткіш диод
Стабилитрон
Туннельдік диод
4.2 кестенің жалғасы
Кері диод
Варикап
Шоттки диоды
Екі жақты стабилитрон