Умножения носителей

3.21. Схема умножения напряжения первого (а) и второго (б) рода

выпрямленное напряжение должно быть в 2 ч- 4 раза больше напряжения сети, а мощность выпрямителя невелика, применяют схемы удвоения и умножения напряжения.

Схемы удвоения и умножения напряжения можно применять в том случае, когда постоянная времени RaC' значительно больше периода Т = 1// (/ — частота питающей сети). В противном случае пульсации выпрямленного тока будет недопустимо большими. В схеме удвоения напряжения С' = С2, в схеме умножения напряжения

Помимо рассмотренных схем в маломощных выпрямителях широко применяют схемы умножения напряжения, позволяющие получать постоянное выпрямленное напряжение, значительно большее, чем амплитуда входного переменного напряжения Um sin &t. На 135, е показана схема последовательного выпрямителя-удвоителя. В положительный полупериод входного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD1 до амплитудного значения переменного напряжения Um. Во время отрицательного полупериода напряжение на конденсаторе С1 складывается с входным напряжением, вследствие чего конденсатор С2 заряжается через диод VD2 до удвоенного значения амплитуды входного напряжения. Таким образом, U0 ж 2t/m.

Рассмотренные схемы умножения напряжения нормально работают лишь при сравнительно больших емкостях конденсаторов и больших сопротивлениях нагрузки. Если это условие не выполняется, то напряжение на выходе выпрямителя с умножением может быть значительно меньше необходимого nUm.

Помимо одиночных диодов промышленность выпускает выпрямительные блоки, предназначенные для использования в мостовых схемах и в схемах умножения напряжения. Например, блоки из четырех кремниевых диодов КЦ401Б и КЦ401В можно применить в схеме удвоения и о;шофазной мостовой схеме. Кроме обычного конструктивного выполнения диода, предназначенного для крепления на теплоотводе (катод на основании, анод на гибком выводе или на проводе), промышленность выпускает модификации, имеющие обращенную полярность (анод на основании). Эта модификация при мостовых схемах выпрямления упрощает конструкцию выпрямителя за счет применения общего теглоотвода для нескольких диодов и их крепления непосредственно на теплоотводе без изоляции. Диоды средней мощности с обращенной полярностью обозначаются буквой П.

Простые схемы могут быть однотактные, двухтактные (мостовые) и с умножением выпрямленного напряжения. В последних используется последовательное включение ряда однофазных выпрямителей, работающих каждый на свою емкость, при общей обмотке питания, что позволяет получить выпрямленное напряжение, в несколько раз (или даже во много раз) превышающее амплитуду э. д. с. на вторичной обмотке трансформатора. Простейшая схема умножения напряжения называется несимметричной. Усложненная схема, составленная из двух несимметричных, питаемых от одной обмотки, называется симметричной схемой. Схемы, состоящие из несимметричных и симметричных схем, называются комбинированными.

При малых нагрузочных токах можно умножить напряжение в несколько десятков раз, что иногда используется для получения очень высоких напряжений (десятки -еотни киловольт) при источнике переменного тока со значительно меньшим напряжением. На практике наиболее часто встречается число каскадов умножения напряжения р = 2 -г- 4.

Простейшей схемой умножения напряжения является схема параллельного ( 14.10, а) и последовательного ( 14.10, б) удвоения напряжения. В один из полупериодов входного напряжения точка а имеет положительный потенциал по отношению к точке Ь, диод VD1 открыт, a VD2 закрыт (см. 14.10, а). В этот полупериод через открытый диод VD1 конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения напряжения t/2m- В другой полупериод, когда точка а имеет отрицательный потенциал по отношению к точке Ь, диод VD1 закрыт, a VD2 открыт. В этот полупериод через открытый диод VD2 заряжается до напряжения Uym конденсатор С2. Так как конденсаторы Cl и С2 включены последовательно относительно входных зажимов, а полярность обкладок заряженных конденсаторов такова, что выходное напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах, то выходное напряжение устройства равно удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. При подключении к выходным зажимам /?„ выходное напряжение уменьшается за счет разряда конденсатора через резистор /?„.

При необходимости большего увеличения выходного напряжения используют схемы умножения напряжения на три, четыре и т. д. ( 14.11), в которых каждый последующий конденсатор заряжается до более высокого напряжения, чем предыдущий. Если в начальный момент напряжение вторичной обмотки трансформатора направо ено от точки а к точке Ь, то в первый полупериод зарядится конденсатор С/ до напряжения, равного амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. В следующий полупериод будет происходить заряд конденсатора С2, ток его заряда будет проходить по цепи то>-ка а — конденсатор С1 — диод VD2 — конденсатор С2—точка Ь. При этом конденсатор С2 зарядится до напряжения UCf=U2m-\-Uctt2U2m, так как при заряде конденсатора С2 вторичная обмотка трансформатора и конденсатор С1 включены последовательно. В следующий полупериод произойдет заряд конденсатора СЗ. Ток заряда конденсатора СЗ проходит по цепи точка Ь —конденсатор С2 — диод VD3 — конденсатор СЗ—точка а. Конденсатор СЗ зарядится до напряжения UCf= ?/2т + ?/сг«3?/2т, конденсатор С4 зарядится до напряжения 4t/2m и т. д., т. е. на каждом последующем конденсаторе напряжение оказывается кратным U2m, а
14.11. Схема умножения напряжения в три раза

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда в p-n-переходе П2 движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя л2 и дырки из слоя pi устремляются в слои р2 и «! и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе -R возрастает, напряжение на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 0,5—1 В. При дальнейшем увеличении э. д. с. источника Еа и- -^ппА или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком вольт-амперной характеристики. Такой пробой не вызывает разрушения перехода Я2. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (нисходящая ветвь на 1.32.) Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия питающего напряжения обычно составляет 10—30 мкс.

Вольт-амперная характеристика фототиристора при световом потоке Ф=0 ( 4.15) соответствует характеристике тиристора при управляющем токе 1^=0. Если напряжение, подведенное к фототиристору, не превышает напряжения ?/вкл, при котором происходит резкое увеличение тока тиристора за счет лавинного умножения носителей заряда, то ток фототиристора, обусловленный движением неосновных носителей заряда через переход Я2, имеет очень небольшое значение и представляет собой темновой ток.

&ф — интегральная чувствительность фотодиода LD — дебаевская длина ?0 — ширина области объемного заряда М — коэффициент умножения носителей т — тензочувствительность

Выходные характеристики транзисторов в схеме с ОЭ представляют зависимость /к = f ((/кэ) при фиксированных значениях /Б. Они имеют больший наклон по сравнению с выходными характеристиками [в схеме с ОБ. Это объясняется тем, что в схеме с ОЭ коэффициент передачи тока базы сильнее зависит от напряжения (/кэ, а также в более сильной степени сказывается эффект умножения носителей заряда в коллекторном переходе. При (/кэ = 0 ток коллектора становится равным нулю, поэтому все выходные характеристики транзистора сходятся в начале координат.

В результате ударной ионизации происходит процесс лавинного умножения носителей. Этот процесс связан с появлением на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением. С физической точки зрения появление отрицательного сопротивления объясняется тем, что при достижении определенного напряжения (Увкл возникают лавинообразный процесс и генерация носителей тока, поэтому напряжение на динисторе начинает

Для повышения чувствительности к слабым радиоактивным излучениям некоторые счетчики радиоактивных излучений работают при повышенном напряжении питания, обеспечивающем работу счетчика на участке ВС характеристики, но в области несамостоятельного темного разряда. Такие счетчики называют пропорциональными, так как в режиме газового умножения носителей заряда можно получить выходной ток, пропорциональный интенсивности радиоактивного излучения, но превышающий в несколько раз ток ионизационной камеры, работающей в режиме насыщения.

Лавинный пробой происходит в достаточно толстых переходах при высоких обратных напряжениях, когда возникает ударная ионизация и лавинный процесс умножения носителей заряда. Процесс ударной ионизации в переходе схематически представлен на 2.31. Носители заряда, ускоренные полем перехода, при Ln <^ d и Lp <^ d приобретают энергию, достаточную для разрыва ковалентных

2.31. Схема лавинного умножения носителей заряда в переходе

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) — прибор, принцип действия которого основан на возникновении в диапазоне СВЧ отрицательного динамического сопротивления, вызванного процессами лавинного умножения носителей заряда и их пролетом через полупроводниковую структуру.

ственных шумов, вызванных процессами лавинного умножения носителей заряда (см. § 2.5), и необходимость тщательного расчета и настройки цепей с ЛПД для их стабильной работы. ОС в ЛПД в отличие от туннельных диодов появляется только на высоких частотах и не наблюдается на с т а-тической ВАХ, которая у ЛПД аналогична показанной на 2.26. Появление ОС в ЛПД вызвано временным

В r'-слое с собственной электропроводностью концентрация свободных носителей заряда весьма мала ( 3.8, б), поэтому практически вся область длиной W обеднена свободными носителями и распределение электрического поля в ней соответствует 3.8, в. Из-за сильной зависимости коэффициента ударной ионизации от напряженности электрического поля [см. (2.85)] область лавинного умножения сильно локализована ( 3.8, г), поэтому процесс умножения носителей заряда происходит в узком слое толщиной хум. Слой вне области умножения (л:ум •< х < W) называется областью дрейфа. Носители заряда, генерируемые в обратносмещенном /э+-/г-переходе, разделяются полем последнего и дрейфуют в нем. Электроны и дырки дрейфуют от области умножения толщиной л:ум до п+- и р+-областей соответственно ( 3.8, а). Путь и время дрейфа электронов значительно больше пути и времени дрейфа дырок. Поэтому временем дрейфа дырок можно пренебречь и считать, что все пролетное запаздывание тпр и связанное с ним динамическое ОС определяются дрейфующими электронами.