Реферат: Полупроводниковые нелинейные элементы: полупроводниковые диоды
Чтобы не произошёл необратимый тепловой пробой стабилитрона, его ток Iст ограничивают с помощью ограничительного резистора Rогр :
, 
Стабисторы - те же стабилитроны, но используют прямую ветвь ВАХ для стабилизации малых напряжений (Uст ≈ 0,6 В).
Варикапы - полупроводниковые диоды, используемые в качестве конденсаторов, с управляемой по напряжению ёмкостью. Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается за счет расширения области пространственного заряда p-n-перехода (рис. 7).
При UAK = 0 на Si-диоде ширина p-n-перехода равна l0 = 0,6 мкм, на Ge - 0,4 мкм. При увеличении обратного напряжения UAК увеличивается l0 , а, следовательно, уменьшается С .
Рис. 7. Вольт-фарадные характеристики для различных варикапов
Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей обычно равно 1:5.
Варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ (рис. 8).
Рис. 8. Колебательный контур на варикапе
Туннельные диоды отличаются от обычных диодов тем, что могут усиливать сигналы подобно транзисторам. Это объясняется наличием участка с отрицательным сопротивлением на их вольт-амперной характеристике (рис. 9).
Отличительной особенностью туннельного диода являются очень малые удельные сопротивления p - и n-слоев и, соответственно, очень малая ширина перехода - 0,01 ... 0,02 мкм. Концентрация примесей в слоях достигает 1019 см - 3 и больше. В этом случае полупроводник вырождается, превращаясь в полуметалл. Уровни примесных атомов сливаются в зоны, а те в свою очередь сливаются с соответствующими основными зонами слоев. В результате уровни Ферми, как и в металле располагаются не в запрещенных зонах p - и n-слоев, а в разрешенных зонах: в валентной зоне p-слоя и в зоне проводимости n-слоя. При этом энергетическая диаграмма симметричного перехода в равновесном состоянии будет примерно такой, как показано на рис. 11а . Как видим, нижняя часть зоны проводимости в n-слое и верхняя часть валентной зоны в p-слое оказались разделенными весьма узким запорным слоем, что позволяет переходить носителям в смежный слой сквозь переход, т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление обусловлено туннельным эффектом, откуда и происходит название диодов.
Рис. 9. Статическая характеристика туннельного диода.
В равновесном состоянии потоки электронов из зоны проводимости n-слоя и валентной зоны p-слоя уравновешиваются и ток через переход отсутствует (рис. 10а ).
Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т.е. плюсом к n-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10б ). Т.к. количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из p-слоя в n-слой увеличится, а обратный ток останется почти неизменным. Следрвательно, результирующий ток будет протекать в направлении от n-слоя к p-слою. Этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения, поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности jFp - jFn сопровождается существенным изменением потока электронов из p-слоя в n-слой.
Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 10в ). Легко заметить, что поток электронов из p-слоя в n-слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекает в направлении от p-слоя к n-слою и при небольших прямых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис 9). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 10в ), на которой уровень Ферми jFn совпадает с потолком валентной зоны p-слоя (участок 0–1).
Рис. 10. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках ВАХ: а ) равновесное состояние (ток через переход отсутствует); б ) обратное включение (участок ВАХ левей точки 0); в ) прямое включение при малых прямых напряжениях (участок ВАХ между точками 0 и 1); г ) прямое включение при средних напряжениях (участок ВАХ между точками 1и 2); д ) прямое включение при больших напряжениях (участок ВАХ между точками 2 и 3 и правее)
При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из n-слоя в p-слой убывает (рис. 10г ) и, соответственно, убывает прямой ток. В результате на ВАХ получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 9, точки 1-2). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в p-слое совпадает с дном зоны проводимости в n-слое. При ещё большем напряжении запрещённая зона делается “сквозной”, туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счёт обычного механизма преодоления электронами потенциального барьера (рис. 10д ).
Таким образом, ВАХ туннельного диода (рис. 9.) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Диффузионная часть, как и в обычном диоде, обусловлена инжекцией и описывается выражением
Диоды этого типа нашли применение в переключателях тока, усилителях и генераторах колебаний СВЧ-диапазона, в преобразователях частоты и других устройствах.
Интересным вариантом туннельного диоба является так называемый обращённый диод , ВАХ которого показана на рис. 11.
Рис. 11. Статическая характеристика обращённого диода
Как видим, особенность этого диода состоит в том, что на прямой ветви отсутствует (или очень мал) максимум. В этом случае логично повернуть характерисику на 1800 (показана пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную - прямой. При этом, обращённый диод имеет значительно меньшее прямое (т.е. на самом деле - обратное) напряжение, чем обычные диоды (оно составляет величины порядка 0,01...0,1 В в отличие от 0,4... 0,6 В для обычных диодов), что очень ценно для многих применений. Однако его обратное (т.е. на самом деле - прямое) напряжение тоже весьма мало (0,3... 0,6 В) и с этим нужно считаться при расчёте схем.
Диоды этого типа применяются в детекторах и смессителях сигналов СВЧ диапазона.