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
