5. DIODY SPECJALNE

5.1. Diody stabilizacyjne

Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p⁺-n⁺ o mechanizmie Zenera lub/i lawinowym (rys.5.1). W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.

Maksymalna dopuszczalna moc rozproszenia diody stabilizacyjnej ogranicza jej prądowy zakres pracy. Zakres ten można określić na podstawie przedstawionej w katalogu maksymalnej mocy dopuszczalnej P_max(20^oC) w temperaturze otoczenia T_a=20^oC (lub 300 K) oraz dopuszczalnej maksymalnej temperatury złącza T_j,max

(5.1)

Charakterystyczne nominalne napięcie przebicia U_ZK jest w przybliżeniu napięciem stabilizacji U_Z. Zatem można przyjąć, że maksymalny prąd stabilizacji wynosi

I_MAX = P_MAX/U_ZK (5.2)

Warunki pracy diody ustawia się w ten sposób, że średni prąd wyznacza punkt pracy stabilizowanego prądu

(5.3)

Następnie definiujemy dla punktu pracy (U_Z ,I_Z) rezystancję dynamiczną

(5.4)

oraz rezystancję stałoprądową

(5.6)

Stosunek obu rezystancji nazywany jest współczynnikiem nieliniowości diody stabilizacyjnej

(5.7)

Dobrze stabilizuje dioda o >100. Wpływ temperatury otoczenia na stabilizowaną wartość napięcia U_Z jest określany temperaturowym współczynnikiem tego napięcia

[%/K] (5.8)

gdzie: U_Z - średnia wartość zmian U_Z,  - dopuszczalny zakres temperatury pracy diody. Współczynnik ten jest wyznaczany przy średnim prądzie I_Sr, ograniczanym rezystancją szeregową R_o dla napięcia zasilania U_S w podstawowym układzie stabilizacyjnym (rys.5.2). W tym układzie schemat zastępczy diody stabilizacyjnej składa się z wyżej zdefiniowanych prametrów rezystancyjnych R_Z i r_Z oraz pojemności C, zwierającej składową zmienną stabilizowanego prądu. Praca diody w tym najprostszym układzie stabilizacyjnym polega na zmianie swojej rezystancji stałoprądowej pod wpływem napięcia wejściowego U_S i prądu obciążenia I_L płynącego przez rezystor R_L (rys.5.1 i 5.2a). Dla stabilizatora można zapisać następujące proste równanie

U_S = (i_Z + I_L)R_o + u_Z (5.9)

Stąd mamy równanie prostej obciążenia diody stabilizacyjne

(5.10)

Jej przebieg i charakterystyczne punkty są zaznaczone na rys.5.1. Istotne dla projektu stabilizatora i wyboru diody na napięcie U_z są oczekiwane zmiany (fluktuacje) napięcia wejściowego U_S oraz wymagania stawiane obciążeniu. Aby im sprostać należy wyznaczyć rezystancję R_o , ograniczającą prąd i wyznaczającej nachylenie prostej obciążenia (5.10), tak aby prąd diody nie spadł poniżej I_min - co oznacza, że dioda jest utrzymywana w stanie przebicia. Zmiany napięcia (fluktuacje) na obciążeniu U_L są zależne od czterech czynników: zmian napięcia wejściowego U_S, rezystancji obciążenia oraz temperatury i impedancji diody stabilizacyjnej.

Skuteczność stabilizacji napięcia przez diodę oceniamy przy pomocy współczynnika pulsacji napięcia na obciążeniu

k_pL ≡ U_L/U_L = U_L/U_S (5.11a)

porównując go ze współczynnikiem pulsacji napięcia na źródle (prostowniku)

k_pS = U_S/U_S (5.11b)

Zatem korzystając ze schematu na rys.5.2., przy R_o>>R_Z, mamy

(5.12)

Podobnie jak

(5.13)

stąd

(5.14)

Jako że zawsze R_Z>>r_Z oraz zwykle w stabilizatorze R_o≈R_L, to w zdefiniowanym powyżej współczynniku A mamy:

(5.15)

Zatem k_pL<<k_pS, czyli napięcie na obciążeniu jest bardziej stabilne niż na źródle i wtedy dioda spełnia swoje zadanie.

5.2. Badania diod stabilizacyjnych

1. Na module pomiarowym TM1 zestawiamy układ pomiarowy do zdejmowania charakterystyk statycznych metodą punktową - według rys.5.3. Badamy wskazane diody stabilizacyjne o U­_ZK do 12 V w zakresie napięć rewersyjnych, i na wspólnym układzie współrzędnych (i_Z, u­_Z) wykreślamy przebieg charakterystyk dla badanych diod.

2. Powyższy układ pomiarowy z diodą BZP683C4V7 uzupełniamy o rezystancję obciążenia R­_L=5,1 k (podobnie jak na rys.5.1a.) i zmieniamy potencjometrem RZN napięcie wejściowe U_S wewnętrznego stabilizatora w module TM1. Następnie mierzymy i wykreślamy charakterystyki zmontowanego stabilizatora na tej diodzie:

a). u_L(u_S) z rezystorem obciążenia R­_L

b). u_L(i_L) przy U_S= 10V.

Podczas pomiarów należy ocenić jak wpływają na prąd stabilizacyjny (Zenera) fluktuacje zasilania i obciążenia.

3. Montujemy na module pomiarowym TM2 układ do obserwacji charakterystyk diod stabilizacyjnych wg rys.5.4. Podczas obserwacji staramy się dokładnie odrysować krzywe uzyskane na ekranie oscyloskopu.

4. W sprawozdaniu należy wykreślić zależności r_Z(i_Z).

5. Wyznaczyć także charakterystyczne parametry układu stabilizacyjnego A, k_pL i k_p.

6. Dokonać w miarę pełnej analizy parametrów i warunków pracy badanych diod.

7. Wyniki obliczeń i parametry diod porównać z danymi katalogowymi.

5.3. Diody tunelowe

Jeżeli obszar złącza diody zostanie jeszcze bardziej zdmieszkowany niż w diodzie Zenera, to napięcie przebicia takiego złącza stanie się bliskie zeru; U_ZO≈0. Dioda p⁺⁺-n⁺⁺, która ma większą rezystancję w kierunku przewodzenia niż w kierunku zaporowym jest diodą wsteczną (rys.5.5). Jest to zatem odwrócenie funkcji złącza - bardzo użyteczne w detekcji sygnałów mikrofalowych..

Diody tunelowe są najbardziej zdomieszkowane (ponad 10¹⁸cm^-3) i wyróżniają się swoją nietypową, w kształcie litery N, charakterystyką napięciowo-prądową w kierunku przewodzenia. Jej szczególną cechą jest zakres napięciowy o ujemnej rezystancji dynamicznej r=du_D/di_D, w którym prąd maleje od wartości szczytowej I_P (peak) do minimum lokalnego I_V (valley) przy wzroście napięcia od U_P do U_V. W tym zakresie średnia wartość ujemnej rezystancji wynosi

(5.16)

W zakresie rezystancji ujemnej prąd diody zmienia charakter z tunelowego na dyfuzyjny, który dla napięć u_D>U_V jest zasadniczym - poza prądami upłynnościowymi. Przebieg charakterystyki w przybliżeniu może być zapisany jako suma tych dwóch prądów

(5.17)

Rezystancja dynamiczna dla napięć U_P i U_V jest zatem nieskończenie wielka, natomiast w punkcie przegięcia (U_r, I_r) osiąga minimalną wartość ujemną

(5.18)

Taki prosty opis diody tunelowej jako rezystancji ujemnej jest właściwy tylko dla niskich częstotliwości. Jednakże diody te służą zwykle do wzmacniania i generacji przy dużych częstotliwościach. W paśmie mikrofalowym znaczna pojemność złącza C_j oraz indukcyjność L_s i rezystancja szeregowa r_S doprowadzeń drutowych w schemacie zastępczym diody tunelowej także mają duży wpływ na jej charakter pracy (rys.5.6). Zgodnie z tym schematem impedancja wejściowa diody tunelowej wynosi

(5.19)

Część rzeczywista tej impedancji jest równa zero przy częstotliwości

(5.20)

Dla większych częstotliwości składowa aktywna impedancji staje się dodatnia, a f_ro osiąga wartość maksymalną przy r=2r_S. W ten sposób o właściwościach częstotliwościowych diody tunelowej decyduje stała czasowa r_SC_j. Przy dużych koncentracjach domieszek pojemność złączowa jest jednak znaczna - może sięgać nawet do 100 pF.

Część urojona zeruje się przy częstotliwości

(5.21)

Jest to częstotliwość rezonansowa własnych drgań pasożytniczych. Dlatego w typowych zastosowaniach mikrofalowych dioda pracuje przy częstotliwościach f_o mniejszych niż f_xo i f_ro (f_xo>f_ro>f_o), a drgania te nie wystąpią do wartości krytycznych, jeżeli

L_S<C_jr_Sr (5.22)

Małą indukcyjność szeregową uzyskuje się poprzez wykonywanie wyprowadzeń prądowych diody z taśm, membran lub większych płytek, zamiast z cienkich drutów.

W zależności od wartości parametrów własnych w schemacie zastępczym oraz wielkości napięcia polaryzacji i obciążenia dioda tunelowa może pracować jako wzmacniacz, oscylator lub przełącznik. Diody wzmacniające powinny mieć duże częstotliwości krytyczne i mały poziom szumów, diody oscylacyjne - dużą moc przekazywaną do obciążenia, a diody przełącznikowe - duży skok napięcia U_V -U_P.

Przy zdejmowaniu charakterystyki prądowo-napięciowej diod tunelowych są poważne trudności związane z zakresem o ujemnej rezystancji, spowodowane niedotrzymaniem warunków stabilności układu pomiarowego. Właśnie w tym zakresie napięciowym dioda tunelowa połączona szeregowo ze źródłem napięcia stałego E_C o rezystancji wewnętrznej R_C, może działać jako wzmacniacz lub oscylator nieliniowy - zależności od tego ile miejsc zerowych ma równanie

(5.23)

Rys.5.7. przedstawia dwa możliwe przypadki przecięcia się prostej obciążenia źródła i prądowo-napięciowej charakterystyki diody.

W pierwszym przypadku punkt przecięcia określony jest jednoznacznie. Taka sytuacja jest możliwa, gdy

R_C + r_S <r_MIN (5.24)

W drugim przypadku prosta obciążenia przechodzi przez trzy punkty charakterystyki prądowo-napięciowej, przy czym punkt znajdujący się na odcinku o ujemnej rezystancji jest niestabilny. Przy niewielkich fluktuacjach napięcia na diodzie układ przejdzie w jeden ze stabilnych punktów napięciowych A lub B, wychodząc z założonego punktu pracy. Zatem uwzględniając tę możliwość, nie należy dopuścić, aby w układzie pomiarowym zachodziła relacja

(R_C+r_S)> r_MIN (5.25)

--> [Author:PP]

Jeżeli dla jakiegoś odcinka charakterystyki o malejącym prądzie zachodzi powyższa relacja, to przy zdejmowaniu charakterystyki pojawią się przełączenia prądu i napięcia pomiędzy punktami A i B.

W praktyce pomiarowej trudno znaleźć niskonapięciowe źródło napięcia stałego o małej rezystancji wewnętrznej z regulacją napięcia od zera. W takiej sytuacji trzeba zrealizować układ niskoomowego dzielnika prądowego ogólnym schemacie przedsta-wionym na rys.5.8. W takim układzie rezystancja źródła zasilającego diodę R₂ powinna być jak najmniejsza

R₂<<r_S+R_C (5.26)

Rezystancję miliamperomierza także należy wziąć pod uwagę.

Drugim ważnym warunkiem stabilności układu pomiarowego jest wyeliminowanie generacji, które nie wystąpią, gdy indukcyjność całkowita układu wraz z diodą będzie bardzo mała - zgodnie z kryterium (5.22). W przeciwnym przypadku w układzie pojawią się pasożytnicze drgania zniekształcające charakterystykę prądowo-napięciową. Ostatni warunek i relację (5.22) można sprowadzić do jednej nierówności określającej dopuszczalne parametry układu pomiarowego:

(5.26)

5.4. Badania diody tunelowej

Diodę tunelową badamy na specjalnym module TMT, którego płytę czołową przedstawia rys.5.9. Dioda zasilana jest z przetwornika napięcia sinusoidalnego na falę prostokątną o małej impedancji w pobliżu przejścia przez zero. W tym układzie pomiarowym powyższe warunki stabilności są w miarę spełnione. Badaną diodę włączamy zgodnie z kluczem na złączce, który powinien wchodzić w otwór w płytce czołowej modułu TMT, bowiem diodę łatwo jest zniszczyć przy niewłaściwej polaryzacji.

Podczas badań należy wykonać następujące czynności:

1. Zaobserwować na ekranie oscyloskopu typowy przebieg charakterystyki diody tunelowej - zauważyć parametry wejścio- wego sygnału sterującego .

2. Wyznaczyć charakterystyczne punkty na krzywej i napisać zależność w postaci ogólnej (5.17).

3. Na podstawie wartości napięć i prądów określić rodzaj półprzewodnika diody.

4. Wyznaczyć wartość rezystancji r_MIN.

5. Sporządzić i zbadać układ oscylatora z badaną diodą tunelową wg rys.5.10.

6. Zmontować układ według rys.5.11. Na potencjometrze ustawić taką wartość rezystancji, aby na oscyloskopie pojawiła się szeroka linia wskazująca na pojawienie się oscylacji. Na wspólnym wykresie charakterystyki diody, złącza emiterowego tranzystora i prostej obciążenia tunelowej diody zanalizować pracę układu.

---