Тема: Исследование ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

1. Цель работы: Изучение характеристик и параметров диодов – выпрямительных.

2. Приборы и принадлежности: Выпрямительный диод 1А – 1; Резистор 150 Ом – 1; Моноблочный минимодульный стенд «Электрические цепи и основы электроники».

3. Теоретическая часть:

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный по-лупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами и двумя выводами.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1, а, б.

а б

Рис. 1

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n-переходе различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы. Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентированных соответствующим ГОСТом.

На рис. 2 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.

а б

Рис. 2

Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика. В отличие от характеристики идеального p-n- перехода (пунктирная кривая на рис. 3, а), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 3, а) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объёмном сопротивлении базы диода r.

Уравнение вольт-амперной характеристики имеет вид:

где U - напряжение на p-n-переходе; I0 -обратный (или тепловой) ток, - температурный потенциал электрона.

а б

Рис. 3

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода:

электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой бывает двух видов - лавинный и туннельный.

Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полу-проводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рис. 3, б. При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде (рис. 4, а) значительно меньше, чем в германиевом (рис. 4, б).

а б

Рис. 4

Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n-перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).

Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на дио-де при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mах — средний за период ток че-рез диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Максимальная частота fтах — наибольшая частота подводимого напря-жения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

Рис.5

На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение,

e(t) = Еm sin w t,

то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе RН падение напряжения Uвых, повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, Uвых = 0. Таким образом, через диод и RН протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе RН пульсирующее выпрямленное напряжение Uвых.

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U ср (за полупериод):

Ucp = Umax / π =0, 318 Umax

Таким образом, U ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Их основные параметры:

Максимально допустимые обратные напряжения Uобр. mах (Uобр. и mах) – постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока Iпр – заданного ТУ.

Постоянный обратный ток Iобр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (Uобр мах). Чем меньше Iобр, тем качественнее диод.

Емкость диода Сд — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость Сд уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами.

1) Время установления прямого напряжения на диоде (tуст ) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6, а).

а б

Рис. 6

Это время связанно со скоростью диффузии и состоит в уменьшении сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (tвосст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6, б), обычно 10% от максимального обратного тока. Это время связано с рассасыванием в базе неосновных носителей заряда, накопленных при протекании прямого тока. Оно состоит из двух составляющих tвосст.= t1.+ t2., где t1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль; t2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объеме базы диода. В целом время восстановления это время выключения диода.

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0, 3 В.

4. Практическая часть:

1. Соберем схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе в соответствии с принципиальной схемой (рис.7). Для измерения анодного тока включим цифровой амперметр в режиме постоянного тока. Для измерения анодного напряжения используем мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения. Последовательно с диодом включим токоограничивающий резистор R=150 Ом.

Рис. 7

Снимем вольтамперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе для прямой ветви; снимем характеристику регулирования напряжения на выходе потенциометра; результаты измерений занесем в таблицу 1, по которой построим прямую ветвь ВАХ.

Таблица 1

I, A	0.046	0, 051	0, 056	0, 065	0, 072	0, 080
U, B	0, 76	0, 77	0, 77	0, 78	0, 78	0, 79

Таблица 2

I, A
U, B	15.11

2. Соберем схему для снятия обратной ветви ВАХ VD (рис.8); снимем обратную ветвь ВАХ диода.

Рис. 8

3. Определим параметры диода: максимальное напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии U_am при максимальном анодном токе I_a _max, пороговое напряжение U_o и дифференциальное сопротивление r_d;

4. Соберем схему для получения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 9). Включим токоограничивающий резистор R=150 Ом. Вход Y (CH2) осциллографа подключим к шунту R_m, а корпус осциллографа соединим с общим приводом. Вход Х (СН1) осциллографа подключим к аноду диода. Переключатель развертки осциллографа перевед в положение X/Y. Светящуюся точку на экране осциллографа поместим в начало координат. Подадим питание. Зарисуем ВАХ диода, определим масштабы по току и напряжению.

Рис. 9

5. Определим по осциллограмме параметры диода: максимальное напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии U_am при максимальном анодном токе I_a _max, пороговое напряжение U_o и дифференциальное сопротивление r_d, сравним с результатами, полученными на постоянном токе.

Таблица 3

I, A	0, 014	0, 016	0, 019	0, 022	0, 027
U, B	3, 51	3, 52	3, 53	3, 50	3, 52

Рис. 10

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒