3.3. Модели диодов

Нелинейная модель диода для большого сигнала показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Нелинейная модель диода

Эта модель содержит уравнения (3.1) для генератора тока I и (3.3), (3.4) для нелинейной емкости C диода.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его малосигнальную эквива­лентную схему для переменного тока (рис. 3.4, а). Сопротивление R₀ в этой схеме представляет собой суммарное, сравнительно небольшое сопротивление п- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротив­ление R_НJ1 при прямом напряжении равно R_np, т. е. невелико, а при обратном напряжении R_НЛ = R_обр, т. е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена.

Рис. 3.4. Полная и упрощенные линейные эквивалентные схемы диода

На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротив­ления R₀ и R_up (рис. 3.4,б), а при обратном напряжении — только сопротив­ление R_о6р, так как R₀ « R_a6p (рис. 3.4,в).

А на высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 3.4,г (если частота не очень высокая, то С_ДИФ практически не влияет), а при обратном остаются R_o6p и С_б (рис. 3.4,д).

Следует иметь в виду, что существует еще емкость С_В между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также оказывать влияние индуктивность выводов L.

3.4. Температурные свойства полупроводниковых диодов

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей заряда, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. Поэтому свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. Это наглядно показывают вольт-амперные харак­теристики, снятые при различной температуре (рис. 3.5). Как видно, при повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень сильно увеличивается обратный ток, что объясняется уси­лением генерации пар носителей. Для германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С.

Рис. 3.5. Влияние температуры на вольт-амперную ха­рактеристику диода

Это можно выразить следующей формулой:

. (3.6)

Следовательно, если температура поднялась с 20 до 60 °С, то I_обр уве­личивается в 2⁴, т.е. в 16 раза. У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10 °С обратный ток увеличи­вается примерно в 2,5 раза.

С повышением температуры несколько возрастает барьерная емкость диода. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ), показывающий относительное из­менение емкости при изменении температуры на один градус, равен 10^-4— 10^-3 K^-1.

3.5. Рабочий режим диода

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, напри­мер резистор R_H (рис. 3.6,а) Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода.

Рис. 3.6. Схема включения диода с нагрузкой и построение линии нагрузки

Диод является нелинейным сопротивлением, и значение сопротивления диода по постоянному току R_F изменяется при изменении тока. Поэтому расчет тока делают графически. Задача состоит в следующем: известны Е, R_H и характеристика диода, требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде.

Характеристику диода следует рассматривать как график уравнения (3-1), связывающего величины I и U. А для сопротивления нагрузки R_H подобным уравне­нием является закон Ома:

I = U_H /R_H = (E - U) / R_H. (3.7)

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными I и U, причем уравнение (3.1) дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения (3.7) и найти координаты точки пересечения двух гра­фиков.

Уравнение для сопротивления R_H — это уравнение первой степени относительно I и U. Его графиком является прямая линия, называемая линией нагрузки. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При I = 0 из уравнения (3-7) получаем:

Е — U= 0 или U = Е,

что соответствует точке А на рис. 3.6,б. А если U = 0, то:

I = E/R_H.

Откладываем этот ток на оси ординат (точка Б). Через точки А и Б проводим прямую, которая является линией нагрузки (ЛН). Координаты точки Q дают решение поставленной задачи.

Свойства последовательной цепи зависят главным образом от свойств участка цепи, имеющего большее сопротивление. Поэтому чем больше сопротивление R_Н тем меньше нелинейность результирующей характеристики. Следует отметить, что графический расчет рабочего режима диода можно не делать, если R_H » R_пр. В этом случае допустимо пренебречь сопротивлением диода и определять при­ближенно ток по формуле I ≈ Е/R_H.