Другие специальные типы диодов

Добавлено 22 июля 2017 в 10:10

Глава 3 – Диоды и выпрямители

специальные типы диодов

Варикапы или варакторы

Диод с переменной емкостью известен как варикап или варактор. Если диод смещен в обратном направлении, между двумя полупроводниковыми слоями образуется изолирующая обедненная область. Во многих диодах толщина обедненной области может быть изменена путем изменения обратного смещения. Это меняет и емкость. Этот эффект усилен в варикапах. Условные графические обозначения показаны на рисунке ниже, одно из них соответствует сдвоенному диоду с общим катодом.

Варикап: вместе с обратным смещением меняется емкость. Это изменяет частоту резонансного контура.
Варикап: вместе с обратным смещением меняется емкость. Это изменяет частоту резонансного контура.

Если варикап является частью резонансного контура, как показано на рисунке выше, то резонансную частоту можно изменять с помощью управляющего напряжения, Vупр. Конденсатор большой емкости с низким XC, включенный последовательно с варикапом, предотвращает замыкание Vупр через индуктивность L на корпус. Так как этот конденсатор имеет большую емкость, он оказывает минимальное влияние на частоту резонансного контура. Cдополн может использоваться для установки центральной резонансной частоты. Vупр может затем изменять частоту относительно этой точки. Обратите внимание, что на рисунке не показана активная схема, необходимая для генерации сигнала на резонансной частоте. Пример схемы настройки AM радиоприемника с помощью варикапа приведен в главе 9 («электронная настройка на варикапе»).

Некоторые варикапы при изменении обратного смещения очень резко изменяют емкость перехода. Эти диоды обеспечивают относительно большое изменение емкости. Это полезно, когда генераторы или фильтры перестраиваются в большом диапазоне частот. Изменение смещения в номинальном диапазоне у таких «резких» варикапов изменяет емкость в соотношении 4:1, у «гиперрезких» варикапов – 10:1, у «супер гиперрезких» варикапов – 20:1.

Варакторы могут использоваться в схемах умножителей частоты.

Диоды с накоплением заряда

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ), также известные как SRD (step recovery diode) диоды, предназначены для использования в умножителях частоты с большими коэффициентами умножения на частотах до 20 ГГц. Когда диод смещен в прямом направлении, заряд сохраняется в PN переходе. Этот заряд вытекает, когда диод смещен в обратном направлении. При прямом смещении SRD диод выглядит как источник тока с низким внутренним сопротивлением. Когда прикладывается обратное смещение, он всё еще выглядит как источник с низким сопротивлением до тех пор, пока весь заряд не будет снят. Затем SRD диод «защелкивается» в состояние высокого импеданса, вызывая импульс напряжения, богатый гармониками. Применение SRD диодов – это генератор «гребенки», большого количества гармоник, и модифицированные умножители 2x и 4x.

PIN диоды

PIN диод представляет собой быстродействующий переключающий диод с низкой емкостью. Не путайте переключающий PIN диод с PIN фотодиодом. PIN диод изготавливается подобно переключающему кремниевому диоду с областью из собственного полупровдника, добавленной между слоями PN-перехода. Это дает более толстую обедненную область, изолирующий слой в переходе диода, к которому приложено обратное смещение. Это приводит к более низкой емкости, чему у переключающего диода с обратным смещением.

PIN диод: поперечное сечение и соответствующее ему условное обозначение
PIN диод: поперечное сечение и соответствующее ему условное обозначение

PIN диоды используются в качестве коммутирующих диодов в радиочастотных приложениях. Сообщается, что диод общего назначения 1n4007, 1000 В, 1 А можно использовать в качестве коммутирующего PIN диода. Высокое номинальное напряжение этого диода достигается за счет включения внутреннего слоя из собственного полупроводника, разделяющего PN-переход. Этот собственный слой делает 1n4007 PIN диодом. Другое применение PIN диода – антенный переключатель.

PIN диоды при изменении прямого смещения служат в качестве переменных резисторов. Одних из таких применений является аттенюатор переменного напряжения. Низкая емкость PIN диодов расширяет частотный диапазон аттенюатора до СВЧ диапазона.

Лавинно-пролетные диоды (IMPATT диоды)

Лавинно-пролетный диод (IMPATT, IMPact Avalanche Transit Time) – это мощный радиочастотный генератор, работающий на частотах от 3 до 100 ГГц. IMPATT диоды изготавливаются из кремния, арсенида галлия или карбида кремния.

К лавинно-пролетному (IMPATT) диоду прикладывается обратное смещение выше напряжения пробоя. Высокие уровни легирования дают тонкую обедненную область. Полученное высокое электрическое поле быстро ускоряет носители заряда, освобождающие других носителей заряда при столкновениях с кристаллической решеткой. Дырки попадают в область P+. Электроны дрейфуют в сторону N областей. Каскадный эффект создает лавинный ток, который увеличивается, даже когда напряжение на переходе уменьшается. Импульсы тока отстают от пиков напряжения на переходе. Эффект «отрицательного сопротивления» в сочетании с резонансным контуром создает колебания на высоких уровнях мощности (высоких для полупроводников).

Лавинно-пролетный (IMPATT) диод: схема генератора и сильно легированные P и N слои
Лавинно-пролетный (IMPATT) диод: схема генератора и сильно легированные P и N слои.

Резонансный контур на принципиальной схеме, изображенной на рисунке выше, представляет собой эквивалентную схему секции волновода, в которой установлен лавинно-пролетный (IMPATT) диод. Обратное смещение постоянным напряжением подается через дроссель, который предотвращает потери радиочастотного сигнала в источнике смещения. Это может быть секция волновода, известная как тройник смещения. Маломощные передатчики радаров могут использовать лавинно-пролетный (IMPATT) диод в качестве источника сигнала. Для использования в приемниках эти диоды слишком шумны.

Диод Ганна

Диод Ганна состоит исключительно из полупроводника N-типа. Таким образом, он не является настоящим диодом. На рисунке ниже показан слабо легированный слой N, окруженный сильно легированными слоями N+. Напряжение, прикладываемое к диоду Ганна из арсенида галлия N-типа, создает сильное электрическое поле в слабо легированном слое N.

Диод Ганна: схема генератора и поперечное сечение диода из полупроводника только N-типа.
Диод Ганна: схема генератора и поперечное сечение диода из полупроводника только N-типа.

По мере увеличения напряжения проводимость возрастает из-за электронов в низкоэнергетической зоне проводимости. Когда напряжение превысит порог, примерно равный 1 В, электроны начнут перемещаться из нижней зоны проводимости к более высокоэнергетической зоне проводимости, где они больше не способствуют провдимости. Другими словами, по мере увеличения напряжения ток уменьшается, явление отрицательного сопротивления. Частота колебаний определяется временем прохождения электронов проводимости, которое находится в обратной зависимости от толщины N слоя.

Частоту в некоторой степени можно контролировать, поместив диод Ганна в резонансный контур. Эквивалентная схема, показанная на рисунке выше, на самом деле является коаксиальной линией передачи или волноводом. Диоды Ганна из арсенида галлия способны работать в диапазоне от 10 до 200 ГГц при мощностях от 5 до 65 мВт. Диоды Ганна также могут служить в качестве усилителей.

Диод Шокли

Диод Шокли представляет собой четырехслойный тиристор, используемый для запуска больших тиристоров. Он проводит ток только в одном направление, когда он открыт напряжением, превышающим напряжение включения, около 20 В. Для более подробной информации смотрите главу 7 «Тиристоры», раздел «Диод Шокли». Двунаправленная версия называется динистором, диак.

Диоды постоянного тока (SRD диоды)

Диод постоянного тока, также известный как токоограничивающий диод, или токорегулирующий диод, или SRD диод, делает именно то, что подразумевает его название: он ограничивает протекающий через него ток до некоторого максимального уровня. Диод постоянного тока представляет собой двухвыводную версию полевого (JFET) транзистора. Если мы попытаемся увеличить ток, протекающий через этот диод, выше его точки регулирования, он будет просто «сдерживать» его, увеличивая падение напряжения. Если бы мы собрали схему на рисунке ниже (a) и построили бы график зависимости тока диода от напряжения на нем, то получили бы график, который сначала поднимается, а затем выравнивается в точке регулирования тока, как показано на рисунке ниже (b).

Диод постоянного тока (SRD диод): (a) тестовая схема, (b) вольт-амперная характеристика.
Диод постоянного тока (SRD диод): (a) тестовая схема, (b) вольт-амперная характеристика.

Применение диодов постоянного тока (SRD диода) заключается в автоматическом ограничении тока, протекающего через светодиод или лазерный диод, в широком диапазоне напряжения питания, как показано на рисунке ниже.

Применение SRD диода (токоограничивающего диода): управление питанием лазерного диода.
Применение SRD диода (токоограничивающего диода): управление питанием лазерного диода.

Конечно, точка регулирования токоограничивающего (SRD) диода должна быть выбрана так, чтобы соответствовать оптимальному прямому току светодиода или лазерного диода. Это особенно важно не для светодиодов, а для лазерных диодов, поскольку обычные светодиоды более терпимы к изменениям прямого тока.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке