Ликбез - Характеристика p-n переходов при слабом токе.

<b>Ликбез</b> - Характеристика p-n переходов при слабом токе.

       Характеристика p-n переходов
             при слабом токе

   На  практике  иногда требуется получить
напряжение смещения,для задания определён─
ных параметров и режимов работы узлов. При
этом  бывает  необходима его относительная
стабильность, а  значительный  ток  в цепи
смещения не требуется.Также бывают случаи,
когда  лишнего  тока  нет  (при разработке
экономичных, слаботочных  узлов), и  тогда
требуется  ещё  более микромощный источник
смещения. Для смещения и стабилизации обы─
чно  используют стабилитроны, стабисторы и
просто диоды, а также p-n переходы транзи─
сторов.
   Характеристика   указанных  компонентов
(ВАХ - вольт-амперная характеристика) име─
ет  завал  и  экспоненциальную зависимость
тока от напряжения. Это объясняется компе─
нсацией  электрического  поля, образующего
потенциальный  барьер на границе p-n пере─
хода (у стабилитронов иначе), при том, что
значение  поля  весьма постоянно. Однако в
начале характеристики, при слабом токе/на─
пряжении на переходе, зависимость нестаби─
льна и плохо подходит для постоянного сме─
щения.Все обычные стабилитроны и стабисто─
ры хорошо работают с токами от миллиампер,
а нестабильный  участок  их  характеристик
расположен до долей миллиампер.Поэтому для
слаботочного  смещения  проще использовать
маломощные  диоды  с токами на десятки мА,
соответственно,  начало  их  характеристик
придётся  на микроамперы. К тому же (что и
следует  из характеристики), напряжение на
маломощном  переходе при том же токе выше,
чем  на мощном, и более стабильно ("устоя─
лось").
   Но найти маломощные диоды (да и транзи─
сторы) бывает  не просто. Совершенствуются
технологии - и  выпускаются  более мощные,
компактные и "выносливые" приборы, с хоро─
шими характеристиками.Впрочем,выносливость
импортных  образцов  уступает нашим (запас
прочности у наших больше), а вот параметры
наших  часто  сильно уступают импортным. В
последние  годы стали доступны chip прибо─
ры (маленькие компоненты, не имеющие выво─
дов),и они больше подходят на роль маломо─
щных, хотя брак в них встречается чаще,чем
в традиционных (в современных  малюсеньких
микрухах - тоже),и следует лишний раз про─
верить прибор перед использованием.
   Меня  порой  удивляет значительная "не─
грамотная  составляющая"  многих мАстеров-
ломАстеров, которые  суют детали направо и
налево,будучи уверены в их "применительной
универсальности". Они  не  могут нормально
представить достоинства и недостатки пара─
метров  деталей  и часто занижают свойства
узлов и работы в целом, хотя в большинстве
случаев  деятельность таких "мастеров" оп─
равдывается. Такие часто "раскрывают" свою
безграмотность, сами того не зная, попадая
впросак  на  простых, классических  вещах.
Но оставим этих "знатоков".
   Как  люди  разумные, мы понимаем, что к
чему, и поиск слаботочного смещения приво─
дит нас к классическому выводу.Любая стру─
ктура, система  и узел оптимально служит в
некой  золотой середине заданых условий, а
в начале  и в конце диапазона этих условий
проявляются всевозможные негативные факто─
ры, поэтому и используют середину.
   В нашем  случае  начало  характеристики
p-n перехода  содержит флуктуации электри─
ческого поля барьера,умноженные на дефекты
самого перехода,и не даёт требуемой стаби─
льности, а в конце характеристики проявля─
ются  потери (при значительном токе), и на
экспоненциальную  кривую стабилизации нак─
ладывается  прямая активной составляющей -
сопротивления  полупроводника. Впрочем, до
конца  нам  далеко, и будем искать участок
ближе к началу...
   Чтобы  не сойти с ума от нелепого коли─
чества замеров,я решил ограничить диапазон
поиска  в пределах 30 дБ (10 мкА - 10 мА).
Для  контроля/установки  тока  использовал
старенький  тестер Ц20-05 (его минимальный
предел сопоставим с моими цифровыми тесте─
рами, а  точная - цифровая - настройка  не
требуется). Для снижения погрешности решил
взять  по  два образца диодов одного типа.
Напряжение  измерял  Sinometr'ом VC9808 на
пределе 2 вольта. Все переходы были спаяны
в последовательную цепь и через подстроеч─
ник  подключены  к аккумулятору (подсевший
Д 0,125). Подстроечники перепаивал на про─
водах, чтобы не нагреть переходы. На самом
маленьком токе возможна погрешность от те─
стера, несмотря на огромное входное сопро─
тивление. На большом - погрешность от раз─
ряда  аккумулятора, хотя я для компенсации
подстраивал.В целом погрешность тока и его
разброс (между измерениями диодов) уклады─
вается  в 5%, и я не старался его стабили─
зировать. В  начале я ошибся - мерил через
гнездо напряжения,и первый ряд оказался на
токе 5 мкА,а в конце не хватило ЭДС для 10
мА, и я решил ограничиться новым пределом:
5 мкА - 5 мА. Затем, для точности,к десяти
замерам ряда 5 - 10 - 20 - 50... добавил 9
промежуточных (15 - 35 - 75...), а в конце
решил  померить  ток  утечки, при обратном
включении...

          Теперь о претендентах
 

  1. Маленький квадратненький, предположи─
тельно, ВЧ-переключающий диодик с плоскими 
ножками  на одной стороне и цифрами по уг─ 
лам корпуса,которые вместе можно прочитать 
как 5646. Ненавижу непонятную маркировку и 
 отсутствие её данных в справочниках... 
  2. Серенький  баллончик с непонятным по─
лустёртым символом и толстыми ножками.Кор─ 
пус  мгновенно прогревается от прикоснове─ 
ния паяльником, и держать руками невозмож─ 
но. Предположительно,ВЧ-переключающий диод 
средней  мощности. Серо-стальная  полоса у 
 катода. 
  3. Как  предыдущий, но с синей полосой у
 катода и в середине. 
  4. КД104А.  Высоковольтный  выпрямляющий
диод, как  маленькая капля со сверхмягкими 
 ленточными выводами 300 В, 0.1 А. 
  5. Классический коллекторный переход по─
пулярного  транзистора  КТ315  (в  таблице 
указана буква образца) 0.1 А, 25(A) или 35 
 (Г) В. 
  6. Эмиттерный  переход  KT315, его можно
считать сверхслаботочным среди всех прете─ 
ндентов, с условными данными 6 В, 10 мА. 
   Указаны  максимальные обратные напряже─
ния, согласно справочным данным. Кстати, в
справочниках  часто  втречается некоррект─
ность в обозначении максимально допустимо─
го напряжения эмиттер-база. Не указано,что
это обратное напряжение,а не прямое. Впро─
чем,всё и так должно быть понятно. Для об─
разца  5 максимальный ток является по сути
обратным  (режим  работы - транзистор), но
если судить по тому, что мы пропускаем та─
кой же величины ток  через тот же переход,
то  это  нормальное допущение... В таблице
указаны милливольты.


























   Записав  данные в компьютер и проследив
за возрастанием падения напряжения,я нашёл
три ошибки и скорректировал результат.
   Для  измерения обратного тока я исполь─
зовал 20 В, подключив через ограничивающий
резистор  1 кОм на анод (спаял все приборы
в общую точку).Но так как ток утечки слиш─
ком мал и не фиксировался на пределе 2 мА,
я  использовал  режим  DCV 200 mV (M832) -
как  наноамперметр, поделив  показания  на
входное сопротивление (1 МОм). Но эти дан─
ные  можно назвать лишь очень приближённы─
ми,из-за весьма низкого напряжения и шумов
на  ничтожном токе. Показания прибора пла─
вали, и я брал среднее значение,весьма ус─
ловно его посчитав.
   На основании этих данных нельзя сделать
вывод о принадлежности прибора к высоково─
льтным или низковольтным,хотя определённая
связь прослеживается. Не считая транзисто─
ров, у КД104А - наименьшая  утечка, но при
300 В она должна быть 3 мкА - налицо нели─
нейная зависимость  обратной кривой. Так и
должно  быть. А вот  самая  малая утечка -
коллекторные переходы - никак ни соотноси─
тся  с высоким напряжением. Большая утечка
свойственна образцам, рассчитанным на зна─
чительный  ток, но опять же проявляет себя
не с начала характеристики, а при значите─
льном напряжении - когда начинается пробой
перехода. Учитывая это, можно сказать, что
первые 3 образца вряд ли выдерживают сотни
вольт,причём один,наверное,с браком,и этим
объясняется  пониженное  падение  в начале
характеристики. А  вот эмиттерные переходы
пробились! Но  этого  и следовало ожидать.
Напряжение  на них составляло примерно 7 В
при  токе порядка 14 мА. И крутизна харак─
теристики  (подобно стабилитрону) на очень
хорошем  уровне  (напряжение садится менее
чем на полвольта при токах в микроамперы).
Неудивительно,  что   эмиттерные  переходы
используют  как  микромощные  стабилитроны
(встречал  в журналах  несколько схем). По
той же причине ясно,как легко можно повре─
дить  транзистор  статическим  потенциалом
или  прикосновением  накопившегося заряда.
Неудивительно, что chip транзюки летят при
небрежном обращении...
   Если  рассчитать процент прироста паде─
ния, то становится видно,что на малом токе
он заметно превосходит последующие, и поэ─
тому  можно сказать, что нарастающая часть
характеристики  переходит в пологую - сог─
ласно экспоненте. Но у маломощного первого
образца начало таблицы ближе к пологой ча─
сти, чем  у следующих  двух переходов, что
опять  же  объясняется  их бОльшим рабочим
током и сдвигом характеристик к концу таб─
лицы. А вот  повышенное  падение  в начале
таблицы  у КД104А объясняется их высоково─
льтностью, а не малым рабочим током. Лиде─
рами  являются  транзисторные переходы - у
них  самое большое падение в начале табли─
цы. Однако и у них видна (хотя и в меньшей
степени - они самые слаботочные) экспонен─
циальная  зависимость  от  начала таблицы.
Последнее объясняет понижение усилительных
способностей транзисторов при слабых рабо─
чих токах (до процентов от максимального),
раскрывая  преимущества "слабых" транзюков
в микромощных узлах...
   Несколько удивляет идентичность эмитте─
рной и коллекторной  кривых. Но это объяс─
нимо  малыми токами опыта. В конце таблицы
можно увидеть,насколько высокоомны перехо─
ды и, соответственно, малы рабочие токи. У
тех  переходов, где  сопротивление выше, -
прирост больше (добавляется падение на со─
противление перехода).Видно,что крутизна у
2-го и 3-го образцов заметно больше (соот─
ветственно,больший рабочий ток), а у пере─
ходов заметно меньший (это естественно,ве─
дь базовый ток слаб, а при работе основной
ток перетекает из эмиттера в коллектор).

                  Выводы

   Лидерами  для слаботочного смещения яв─
ляются  переходы  маломощных транзисторов,
причём эмиттерный  можно  использовать как
стабилитрон на небольшое напряжение.Но при
этом не следует увлекаться током, лучше не
превышать  пары  мА  и не менять ток более
чем вдвое,иначе смещение не будет достато─
чно стабильным. Из-за шумов в начале хара─
ктеристики не следует использовать переход
со  смещением/током менее полувольта, хотя
всё зависит от применения в схемотехнике и
конкретных случаев.
   В ряде случаев чтобы определить, подхо─
дит ли образец,достаточно померить падение
напряжения на нём при двух разных токах (с
разницей  не более чем вдвое) вокруг пред─
полaгаемого рабочего значения. Таким обра─
зом  станет  ясно, каковы пределы девиации
напряжения. Но  не следует судить строго -
это  же  не  стабилитрон (не стабистор), и
использование  при  большей кратности тока
(больше  чем в два раза) вряд ли будет оп─
равдано.

15 марта 2006 года               By KSA-7G