Эквивалентные схемы диодов. По мере повышения частоты переменной составляющей напряжения, прикладываемого к диоду, дифференциальные сопротивления приобретают комплексный характер и начинают зависеть от частоты. Для анализа этих явлений применяются эквивалентные схемы.

Рис. 9-27. Эквивалентная схема полупроводникового дие-да для средних частот.

Простейшая из них (рис. 9-27), кроме нелинейной проводимости запорного слоя g, учитывает емкость, С шунтирующую этот слой, и сопротивление объема полупроводника г. Элемент С в общем случае включает барьерную емкость, зависящую от приложенного к диоду напряжения, и диффузионную, характеризующую накопление носителей в объеме полупроводника и зависящую, таким образом, от тока через диод (главным образом прямого). Диффузионная емкость зависит от частоты тока и с повышением частоты убывает, стремясь к нулю. Сопротивление объема полупроводника г зависит от концентрации носителей в полупроводнике и при больших токах через диод уменьшается. Точный учет всех этих зависимостей достаточно сложен, и на практике часто считают элементы С и г линейными, приписывая им средние за период рабочей частоты значения.

В области СВЧ может потребоваться учет паразитных индуктивности L и емкости См выводов и корпуса диода, как это показано на схеме на рис. 9-28.

Рис. 9-28. Эквивалентная схема полупроводникового диода для диапазона СВЧ.

Предельные эксплуатационные режимы.

Для предотвращения необратимых изменений характеристик полупроводниковых диодов нормируются диапазон рабочих температур, обратное напряжение и прямой ток, которые могут длительно действовать в цепи диода. Для выпрямительных диодов вместо последних двух величин указываются предельная амплитуда обратного напряжения и выпрямленный ток в однополу-периодной схеме выпрямления с активным сопротивлением нагрузки. В схеме выпря-

мителя с емкостной нагрузкой амплитуда переменного напряжения должна быть снижена вдвое. Для некоторых выпрямительных диодов оговаривается предельная амплитуда выпрямленного тока. Под этой величиной понимается пиковое значение прямого тока через вентиль, которое при емкостной нагрузке может во много раз превышать среднее значение выпрямленного тока. При малой тепловой инерции отдельных элементов конструкции диода под действием этих пиков тока может возникать пагубный перегрев даже при допустимом среднем значении выпрямленного тока.

Особенно большие прямые токи могут проходить через диоды во время переходных процессов при подаче и снятии питания в силовых устройствах и импульсных - схемах. Перегрузочная способность диодов в таких режимах гарантируется предельной величиной импульса прямого тока или амплитуды прямого тока при переходных процессах при оговариваемой длительности импульса.

При повышении температуры окружающей среды предельные значения напряжений и токов могут понижаться, что оговаривается особо.

К характеристикам, описывающим предельные эксплуатационные режимы, примыкают указания по применению радиаторов и принудительного охлаждения (для мощных выпрямительных диодов), а также рекомендации по номиналам дополнительных сопротивлений или конденсаторов, уравнивающих токи и напряжения на отдельных диодах при параллельном и последовательном соединении диодов в схемах выпрямителей.

Диоды-детекторы СВЧ, смесители, модуляторы

Характеристики и параметры. Точечные полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в диапазоне СВЧ, имеют некоторые конструктивные особенности, сводящие до минимума паразитные индуктивность и проходную емкость.

Помимо характеристик, перечисленных для полупроводниковых диодов - выпрямителей и детекторов, для диодов СВЧ вводятся некоторые специальные характеристики и параметры.

В связи с тем что конструкция диода может сильно влиять на режим работы СВЧ резонаторов, некоторые типы СВЧ диодов предназначаются для работы в определенных диапазонах волн, например трехсантиметровом, десятисантиметровом.

Чувствительность по току Р -отношение величины выпрямленного тока к величине поглощенной мощности при коротком замыкании на выходе:

выпр

(9-40)

Размерность чувствительности Р - ajer.

Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) - отношение максимальной напряженности электрического поля основной гармоники к минимальной в волноводе, нагруженном на стандартную камеру с данным детектором.

Величина КСВН регламентирует возможный разброс входных сопротивлений детекторов.

Выходное сопротивление ых-дифференциальное сопротивление детектора в рабочем режиме на промежуточной частоте.

Относительная температура шума t-ш - отношение располагаемой мощности шума на выходе детектора к мощности шума сопротивления, находящегося при нормальной температуре (Г=290°К, k - постоянная Больцмана) в той же полосе частот ЛД-

Потери преобразования L - отношение мощности СВЧ сигнала, поступающего на вход детектора, к мощности сигнала промежуточной частоты на выходе.

Нормальный коэффициент шума Ш - ко-1ициент шума устройства, состоящего из смесителя на данном диоде и усилителя промежуточной частоты с нормированным значением коэффициента шума Шу:

Ш=1(гш + Я/упч-1). (9-42)

Добротность (Эд - совокупная характеристика качества диода - видео детектор а, учитывающая чувствительность по току Р, выходное сопротивление /вых и относительную шумовую температуру tm

(9-43)

где R-m.n-эквивалентное шумовое сопротивление лампы видеоусилителя, следующей за детектором.

Величина добротности сильно зависит от постоянного смещения диода и достигает максимума при прямых смещениях порядка 0,1-0,2 в у германиевых видео-детекторов и порядка 0,3-0,4 в - у кремниевых.

Предельные эксплуатационные режимы. Для предотвращения порчи СВЧ диодов указывается номинальная энергия тока выгорания - энергия импульса постоянного тока, при котором происходят необратимые изменения электрических характеристик диодов. При работе СВЧ диодов во входных цепях приемников радиолокационных станций принимаются меры защиты диодов от воздействия импульсов передатчика. Необходимые требования к системе защиты заключены в предельных значена-

Определение шумовых па(заметров - см. § 10-1.

ях просачивающейся мощности в импульсе Рпрос и энергии пика просачивающейся мощности fnpoc. Величина Рпрос представляет собой отношение энергии импульса, просачивающегося через разрядник, к длительности этого импульса. Величина £прос характеризует собой энергию пика, просачивающуюся через разрядник импульса иа начальном этапе развития разряда.

Импульсные диоды

Импульсные параметры полупроводниковых диодов. Импульсные диоды -разновидность полупроводниковых диодов, пред-назиаченных для применения в импульсных схемах. Помимо характеристик, указанных для диодов - выпрямителей и детекторов, у импульсных диодов рассматриваются следующие параметры:

Прямое импульсное сопротивление - отношение максимального всплеска прямого напряжения к величине вызвавшего его импульса тока. Может заметно превышать статическое хопротивление, измеряемое на постоянном токе, в связи с инерционностью процесса накбпления носителей.

Время восстановления - интервал времени, отсчитываемый от момента переключения напряжения с прямого на обратное, по истечении которого обратный ток уменьшается до определенного значения. Повышенная проводимость диода сразу же после снятия прямого напряжения также является следствием накопления носителей в полупроводнике.

Предельные эксплуатационные- режимы. В качестве специфической характеристики импульсных диодов выступает максимальный импульс прямого тока /имп.макс- Работа в режимах с большими импульсами прямого тока допускается при условии, что среднее значение прямого тока при данных длительности и скважности импульсов не превышает некоторой особо оговариваемой величины.

Кремниевые сЛбилитроны

Назначение и параметры. 1емниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким нарастанием обратного тока в точке пробоя (рис. 9-29) используются как стабилитроны. Основное назначение - стабилизация постоянного напряжения. Выгодно отличаются от газовых стабилитронов отсутствием напряжения зажигания, превышающего напряжение стабилизации, и возможностью стабилизации низких напряжений (единицы - десятки вольт).

Для кремниевых стабилитронов действительны все характеристики и параметры, которые сообщаются для полупроводниковых диодов-выпрямителей, но в связи со специфическим назначением появляется ряд новых параметров, характеризующих свойства стабилитрона в режиме пробоя.

Напряжение стабилизации Uci-номинальное значение пробивного напряжения при оговариваемой (номинальной) величине обратного тока. Ввиду неизбежного разброса характеристик стабилитронов истинное значение напряжения стабилизации для отдельных экземпляров может отличаться от номинального (обычно в пределах ±10%), и вместо номинального значения напряжения стабилизации часто приводят его возможные предельные значения.

Рис. 9-29. Статическая вольт-ампериая характеристика кремниевого стабилитрона.

Номинальный ток стабилитрона - значение обратного тока через стабилитрон, при котором измеряется напряжение стабилизации. Для маломощных стабилитронов он составляет 5 ма.

Динамическое сопротивление - дифференциальное сопротивление стабилитрона в области пробоя, характеризующее изменение стабилизированного напряжения при изменении тока. Динамическое сопротивление уменьщается с увеличением тока через стабилитрон и у низковольтных стабилитронов бывает от единиц до десятков ом.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) указывает относительное изменение напряжения стабилизации при повьшении температуры на ГС. У некомпенсированных стабилитронов величина ТКН лежит в пределах 10-- I0- град-, положительна при £/ст>5-н беи тем больше, чем выше значение (Уст. При низких напряжениях стабилизации ([/ст<4 в) ТКН<0. Наименьшие значения ТКН, близкие к нулю, присущи стабилитронам с напряжением стабилизации около 5 в.

Резкое уменьшение ТКН стабилитронов с напряжением стабилизации выше 7 в достигается введением в их структуру второго р-п перехода, вкл10ченного последовательно и навстречу основному р-п переходу. У таких температурно-компенсирован-ных стабилитронов величина ТКН снижена до значений 10--10 град-\ причем знак ТКН может меняться.

Предельные режимы эксплуатации. В качестве основной характеристики стабилитронов в предельном режиме приводятся предельная мощность и обратный ток.

Для расчета предельной мощности при повышенных температурах указывается тепловое сопротивление Rt, характеризующее нагрев стабилитрона ДГ (° С) при рассеивании в нем мошности Р=1 мет или 1 вт:

т- р

(9-44)

Мощность при повышенной температуре Т окружающего воздуха определяется по формуле

ТмяиГ -~ Т

, (9-45)

Р =

макс т

макс Rt

где Гмакс - предельная температура р-п перехода стабилитрона.

Варикапы и параметрические диоды

Полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-п перехода, зависящая от приложенного к нему обратного напряжения, обычно называют варикапами. Разновидность варикапов, предназначенных для работы в качестве нелинейной емкости параметрических схем, называют также параметрическими диодами или варакторами. Барьерная емкость не зависит от частоты во всем

<0 в

Рис. 9-30. Зависимость емкости Р-п пе рехода от обратного напряжения.

/ - резкий р-п переход; 2 - плавный; З - с обратным градиентом концентрации примесей.

используемом в настоящее время диапазоне радиочастот. Основные области применения: параметрические усилители (преобразователи) и умножители частоты, системы автоматической подстройки частоты и электронной настройки, частотные модуляторы.

Зависимость емкости от напряжения в общем случае выражается кривой, падающей с ростом обратного напряжения (рис. 9-30). Аналитическое выражение этой зависимости дает формула (9-35) (см. стр. 394).