Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов. Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.
Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов. Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых — в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых — 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам. Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии. У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки. www.club155.ru Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока. Полупроводниковый диод Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь. Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода. Типовая ВАХ Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками. В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд. Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов. Проверка характеристик В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов: Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода. Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него. elquanta.ru Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход. Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом. По назначению диоды делятся на: 1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное; 2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока: 3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением; 4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах; 5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний; 6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний; 7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию; 8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал. Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах. Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n-перехода и имеет две ветви – прямую и обратную. ВАХ диода представлена на рисунке 5. Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р, а "-" – к областиn), то при достижении порогового напряженияUпордиод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир, а "+" – к областиn) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Рисунок 5 – Условно-графическое обозначение (УГО) и вольтамперная характеристика диода при различных температурах Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току. Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением: , (2) где UиIзадают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления. Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода: . (3) Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), rдвычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме: . (4) Чтобы вывести выражение для rд, удобнее принять в качестве аргумента токI, а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду: . (5) Тогда: . (6) Отсюда следует, что с ростом прямого тока rдбыстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI>>IS. На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: Rст>rд. При обратном включении диодаRст<rд. Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока. studfiles.net Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3. Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода Характеристику диода (при прямом включении) можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции: . Здесь обратный ток насыщенияIs 10-11А (для кремниевых диодов) и10-7 А (для германиевых), коэффициент эмиссии n 1…2 и температурное напряжение UT = kT/q 26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла. При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя. Постоянное прямое напряжение Uпр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе. Постоянный прямой ток Iпр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении. Постоянный обратный ток Iобр - постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении. Средний прямой ток Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период. Средний обратный ток Iобр.ср. – обратный ток, усредненный за период. Дифференциальное сопротивление диода rдиф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока. Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные токи, напряжение и мощность. Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 4. По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Рис. 4. Условное обозначение стабилитрона Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока). Типовая статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 5. Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации Uст. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения. Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление. Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации Iст мин, определяемым началом пробоя, а сверху – максимальным током стабилизации Iст макс, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора. studfiles.net Выпрямительный диод — это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте. ОГЛАВЛЕНИЕ Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико. При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет. По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе. Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код: Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная. В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов. Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается. Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой. ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры. Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах. Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры. Он отражает качество выпрямителя. загрузка... Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу. Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов: Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на: Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них: Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме. Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы. Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора. Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора. Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится. Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность. В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно. Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов. Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие: В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки. Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными. Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует. electricvdele.ru Выпрямительные диоды – предназначены для выпрямления низкочастотного переменного тока и обычно используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока в однополярный. Для выпрямления используется основное свойство диоды – их одностороняя проводимость. В качестве выпрямительныхдиодов в источниках питания для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, которые имеют большую площадь контактарип областей. Такие диоды обладают большой барьерная емкостью, емкостное сопротивлениеXc=1/(ωC)с ростом частоты становится мало и закорачивает (шунтирует) сопротивление перехода гpn, в результате чего выпрямления не выполняется, но это не существенно, т.к. такие диоды используют в низкочастотных схемах. Кроме того иакие диоды имеет большую величину обратного тока. 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 диоде 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 mаах— средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа. Максимальная частота fмах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины. Средняя рассеиваемая мощность диода РсрД – средняя за период мощность рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлении. Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода. Улучшая условия охлаждения (вентиляцией, применением радиаторов), можно увеличить отводимую мощность и избежать теплового пробоя. Применение радиаторов позволяет также увеличить прямой ток. Промышленностью выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать при обратных напряжениях, превышающих допустимые Uобр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока можно применяться параллельное включение диодов. Однополупериодный выпрямитель. Трансформатор служит для понижения амплитуды переменного напряжения. Диод служит для выпрямления переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель. Предыдущая схема имеет существенный недостаток. Он состоит в том, что не используется часть энергии первичного источника питания (отрицательный полупериод). Недостаток устраняется в схеме двухполупериодного выпрямителя. В первый положительный (+) полупериод, ток протекает так : +, VD3, ,VD2, - . Во второй – отрицательный (-) так: +, VD4, ,VD1,- . В обоих случаях он через нагрузку протекает в одном направлении ↓- сверху вниз, т.е. происходит выпрямление тока. studfiles.net МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ) ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ САМАРА 2013 Авторы-составители: Малыгин Н.А., Потудинский А.А., Гудков С.А. УДК 621.38 Исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов: метод. указ. к лаб. работе/Самарский гос. аэрокосмический ун-т; Сост.: Н.А. Малыгин, А.А Потудинский, С.А. Гудков, Самара, 2013, 16с. Приведены краткие теоретические сведения об основных параметрах полупроводниковых диодов, охарактеризованы основные их типы, а также сведения и основных параметрах биполярных транзисторов и особенности их вольт-амперных характеристик. Даны указания по выполнению работы, оформлению отчета, контрольные вопросы Методические указания предназначены для студентов специальностей 210201, 211000, 160903, 162500, изучающих курсы «Аналоговая и цифровая электроника», «Основы радиоэлектроники», «Основы радиоэлектроники и связи», «Основы теории радиотехнических систем» и «Основы электроники» Составлены на кафедре 'Радиотехнические устройства" Рецензент: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ (шифр 87Л-01(1)) Цель работы: изучить основные параметры полупроводниковых диодов и снять их вольт-амперные характеристики. 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1 Особенности полупроводниковых диодов Полупроводниковый диод представляет собой электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним р-n- переходом b двумя внешними выводами от областей кристалла с разными типами электропроводности. Именно р-n- переход является основой любого полупроводникового диода и определяет его свойства, технические характеристики и параметры [1—3]. Как и р-n- переходы , диоды по конструктивно-технологическому принципу подразделяют на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные диоды. Точечные диоды, имеющие малую емкость р-n-перехода, используются лишь в весьма высокочастотном диапазоне и при малых токах. Теоретическая связь между прямым током Iпр и приложенным к р-n-переходу прямым напряжением Uпр определяется выражением Iпр = I0 - (еVнр/γϕт-1), (I) где I0— обратный ток насыщения или тепловой ток; γ — коэффициент, равный единице для германия и одному-двум для кремния; ϕт= kT/q — температурный потенциал; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. Значение обратного тока I0 можно определить из уравнения (I), заменив значение Uпр на Uo6p . Учитывая, что в рабочей части диапазона обратных токов ϕт << |Uo6p|, получим Iобр = I0. Ток Iобр по значению много меньше Iпр . Прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики показаны на рисунке 1.а. Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется у германиевых диодов лишь при напряжении 0,1—0,2 В, а у кремниевых — при напряжении 0,5—0,6 В (рисунок 1.б). Из соотношения (I) следует, что значение и направление тока, проходящего через р-n-переход, зависят от значения и знака приложенного напряжения. При прямом смещении р-n-перехода его сопротивление незначительно, а ток большой. Обратное смещение на переходе обусловливает значительно большее сопротивление в обратном направлении при малом обратном токе. Таким образом, р-n-переход обладает свойством односторонней проводимости или вентильности, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока. Если обратное напряжение превышает некоторое значение Uобр.пр (рис. 1, а), называемое пробивным, то обратный ток Iобр резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой р-n-перехода, сопровождаемый частот тепловым пробоем. Кратковременный электрический пробой не разрушает р-n-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом же пробое происходит недопустимый перегрев р-n-перехода и он выходит из строя. Рисунок 1 - Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов: а — прямая и обратная ветвь; 6 — влияние материала полупроводника С ростом температуры возрастают как прямой, так и обратный ток. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода при более высокой температуре показана на рисунке 1.а пунктирной линией. Характеристики реальных диодов отличаются от характеристик, описываемых выражением (I). Обратный ток обычно несколько возрастает при возрастании обратного напряжения. При достаточно больших прямых токах из-за падения напряжения на объемном сопротивлении материала полупроводника экспоненциальная прямая характеристика диода вырождается: ее наклон становится меньше, но она остается нелинейной. 1.2 Основные типы полупроводниковых диодов и их параметры Полупроводниковые диоды находят широкое применение в решении схемотехнических вопросов всех направлений промышленной электроники. Малые массы и габариты, высокое сопротивление обратному и малое сопротивление прямому току, высокое быстродействие позволяют применять их практически в любых изделиях современной электронной техники. По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, импульсные, опорные (стабилитроны), фото- и светодиоды и др. Выпрямительные диоды. Наиболее часто выпрямительные диоды применяют в качестве выпрямителей переменного тока низкой частоты (50—100000 Гц). Кроме того, выпрямительные диоды широко используют в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в качестве элементов развязки в электрических цепях и др. В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяют на две группы: германиевые и кремниевые. Последние получили наибольшее распространение, поскольку имеют во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми диодами. Германиевые диоды целесообразно применять при низких напряжениях, поскольку при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, смещенном в прямом направлении, меньше, чем на кремниевом диоде. Основными параметрами выпрямительных Диодов, характеризующими их работу в выпрямительных схемах, являются: среднее за период значение выпрямленного тока Iпр ср, который может длительно проходить через диод при допустимом его нагреве; среднее за период значение прямого напряжения Uпр ср, которое однозначно определяется по вольт-амперной характеристике при заданном значении Iпр ср; предельная частота fmax диапазона частот, в пределах которого ток Диода не уменьшается ниже заданного значения. Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямительного диода, а именно: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uo6p max , которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы; максимально допустимый постоянный ток Iпр max диода. В настоящее время серийно выпускаются выпрямительные столбы и блоки, содержащие в одном корпусе совокупности диодов или полные схемы выпрямителей. Высокочастотные диоды — это полупроводниковые приборы универсального назначения. Они применяются в тех же электронных устройствах, что и выпрямительные диоды, только при меньшей электрической нагрузке, а также в модуляторах, детекторах, преобразователях частоты и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Выпрямители переменного тока, в которых используют высокочастотные диоды, работают в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Прямая ветвь вольт-амперной характеристики высокочастотного диода не отличается от соответствующей ветви выпрямительного диода. Однако в обратной ветви характеристики вследствие малой площади р-n-перехода участок насыщения практически отсутствует, и обратный ток с ростом напряжения равномерно возрастает за счет токов утечки и термогенерации. Значение постоянных прямых токов точечных высокочастотных диодов не превышает 50 мА, а значения допустимых постоянных обратных напряжений— 150 В. Для микросплавных диодов эти параметры имеют большие значения. Основным параметром высокочастотных диодов является статическая емкость Ср между внешними выводами. Ее значение определяется барьерной и диффузионной емкостью р-n-перехода. Чем меньше Ср, тем шире диапазон рабочих частот диода. Обычно Ср ≤ 1пФ. Другие параметры высокочастотных диодов те же, что и у выпрямительных. При работе в диапазоне повышенных частот необходимо учитывать инерционность диода, в основе которой лежит процесс накопления заряда около р-n-перехода. Инерционность диода, а также наличие емкости Ср приводят к тому, что на очень высоких частотах амплитуды прямого и обратного токов рабочих сигналов становятся соизмеримыми, и диод теряет свойства односторонней проводимости. На очень высоких частотах используются СВЧ- диоды с очень малым радиусом точечного контакта (2—3 мкм). Импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в устройствах импульсной техники. Конструкция импульсных диодов и их вольт-амперная характеристика такая же, как у высокочастотных диодов. Статические параметры импульсных диодов, включая статическую емкость Ср, также аналогичны соответствующим параметрам выпрямительных и высокочастотных диодов. Особенность импульсных диодов заключается в следующем. При воздействии на диод резкого перепада напряжения (импульса), смещающего диод в прямом направлении, в базе (n-слое) вблизи р-n-перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей заряда, что приводит к изменению прямого сопротивления диода. Соответствующее импульсное прямое сопротивление Rн может в 1,5—3 раза превышать статическое прямое сопротивление постоянному току RCT . Вследствие этого эффекта возникшее после перепада напряжение на диоде Uпр и max превышает установившееся значение Uпр уст. Поскольку избыточный неравновесный заряд в базе рассасывается не мгновенно, то напряжение Uпр и max снижается до Uпр уст за конечный промежуток времени, называемый временем установления прямого сопротивления (на-напряжения) I0 . Наиболее эффективным способом снижения tуст является уменьшение толщины базы и времени жизни неравновесных носителей заряда. Существенное снижение времени жизни неравновесных носителей (до 0,5—0,3 не) достигается легированием германия и кремния золотом (так называемые импульсные диоды с золотой связкой). При этом также уменьшаются емкость Ср и обратный ток диода. Если Uпр уст быстро изменить на запирающее Uобр, то обратный ток резко возрастает до значения Iобр max, существенно превышающего ток I0 (рисунок 1.а). Такое явление обусловлено тем, что накопившиеся в базе при прохождении прямого тока дырки втягиваются полем р-n-перехода обратно в эмиттер (p-слой). При этом обратное сопротивление резко уменьшается. В результате последующего процесса рекомбинации дырок с электронами, занимающего конечный отрезок времени, концентрация дырок достигает равновесного значения, а обратный ток уменьшается до установившегося значения I0. Промежуток времени с момента прекращения прямого тока до момента, когда обратный ток достигает своего установившегося значения, называется временем восстановления обратного сопротивления (тока) tвос диода. Помимо tуст и tвос импульсные диоды характеризуются максимальным импульсным током Imax. значение которого может существенно превышать ток статического режима Iпр ст, так как при кратковременных (оговоренных в справочниках) импульсах прямого тока (напряжения) можно не опасаться перегрева диода. При проектировании и расчете электрических схем, содержащих диоды, часто необходимы сведения о сопротивлении диода постоянному и переменному току. Сопротивление постоянному току определяется как отношение напряжения к току в данной точке вольт-амперной характеристики (рисунок 2) Rст = U1/I1 при заданном значении I1 или U1. Сопротивление переменному току (динамическое или дифференциальное сопротивление) Rд = dU/dI ≈ ΔU/ΔI, где приращение напряжения ΔU и тока ΔI отсчитывается от точки вольт-амперной характеристики, в которой сопротивление определяется. В области прямых токов сопротивление Rст больше сопротивления Rд , а в области обратных токов оно меньше сопротивления Rд . Рисунок 2 - Определение сопротивления диода постоянному и переменному току 2 ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА Лабораторная работа проводится на стенде 87Л-01, где установлена сменная панель № 1 (рис.3). При выполнении работы используются: источник постоянного тока (генератор тока) ГТ; источник постоянного напряжения (генератор напряжения) ГНЗ; авометр АВМ2 и ампервольтомметр АВО; диоды 1 (Д9), 2 (Д220) — 2 шт.; проводники соединительные — 6 шт. 3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1.Снять прямую характеристику германиевого диода Д9: а) собрать схему рисунок 3.а; б) изменяя ток через диод, замерить напряжение на диоде. Интервал и диапазон изменения прямого тока указаны в таблице 1 Ток IF измеряется прибором АВМ2, напряжение UF — прибором АВО. Рисунок 3 - Снятие и анализ характеристик диодов: а —прямая ветвь; б— обратная ветвь Таблица 1 Iпр, мА 0,04 0,1 0,4 1 2 4 6 8 10 12 Uпр, В 2.Повторить п. 1 с кремниевым диодом Д220. 3.Снять обратную характеристику германиевого диода Д9: а)собрать схему рис. 3, б; б)изменяя обратное напряжение на диоде, измерить ток через диод. Интервал и диапазон изменения обратного напряжения указаны в таблице 2. Напряжение UR измеряется прибором АВМ2, ток IR прибором АВО. Таблица 2 Uобр, В 5 10 20 30 40 50 Iобр, мА 4. Повторить п.3 с кремниевым диодом Д220 Примечание. В случае нарушения балансировки прибора АВО необходимо несколько раз подряд проделать следующие операции. Замкнуть входные гнезда прибора прородником и ручкой «Уст. «О» установить стрелку прибора на «О»; затем разомкнуть входные гнезда АВО и ручкой «Баланс» повторить установку стрелки на «О». В результате нуль должен сохраняться при КЗ и XX на входе прибора. 5.Рассчитать сопротивление постоянному и переменному прямому току исследованных диодов в зависимости от Iпр . 4СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Наименование лабораторной работы, ФИО студента. 2.Структурные схемы измерений. 3.Таблицы экспериментальных данных и необходимые расчеты, графики полученных зависимостей. 4.Выводы по работе. 5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Почему контактную разность потенциалов, существующую на р-л-перёходе, нельзя измерить вольтметром? 2.Какими параметрами характеризуются прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики диодов? 3.Какими параметрами отличаются кремниевые диоды от германиевых? 4.Как зависят параметры полупроводниковых диодов от тем-пера.туры? 5.Получите и, постройте теоретическую зависимость от прямого напряжения U„p : а) сопротивления постоянному току, б) сопротивления переменному току.' 6.Охарактеризуйте основные группы полупроводниковых диодов и их параметры. 7. При последовательном включении выпрямительных диодов (в случае отсутствия высоковольтного диода) их часто шунтируют высокоомными резисторами. Для чего это делается? 8.При параллельном включении выпрямительных диодов (в случае отсутствия мощного диода) последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление, составляющее единицы или доли Ом. Для чего это делается? 9.Импульсы напряжения типа меандр через резистор подаются на полупроводниковый диод. Нарисуйте эпюры напряжения на диоде и тока через диод.. 10.В замкнутой последовательной Цепи, содержащей источник напряжения, индуктивность, резистор и ключ, протекает ток. Нарисуйте эпюры напряжения на ключе в момент размыкания ключа для двух случаев: а)индуктивность зашунтирована диодом, б)диод отсутствует. 11.Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя и объясните его работу. 12.Объясните принцип действия стабилитрона. Какими параметрами характеризуется этот тип диода? 13.Объясните принцип действия варикапа. Как зависят параметры варикапа от частоты сигнала? ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ (шифр 87Л-01(6)) Цель работы: изучить основные параметры биполярного транзистора и снять его статические входные и выходные характеристики при включении транзистора по схеме с общим эмиттером. 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Биполярный транзистор является одним из самых распростра- ' ненных типов активных элементов. В современной .радиоэлектронике он широко применяется как в дискретном, так и в интегральном исполнении [1—3]. 1.1 Особенности биполярных транзисторов Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих р-n-переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены достаточно близко друг от друга. Условно можно считать, что транзистор состоит из двух встречно включенных диодов, обладающих одним общим n- или р-слоем. Соответственно этому различают транзисторы р-n-р и n-р-n типа. Центральную область, разделяющую р-n-переходы и электрод, связанный с ней, называют базой Б (В). Два других электрода называют эмиттером Е (Е) и коллектором К (С) (в скобках приведены обозначения, принятые в иностранной литературе). Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном. Так как транзистор имеет три вывода, то включить его в электрическую цепь можно шестью различными способами. Только три из них могут обеспечить усиление мощности сигнала. Один из электродов транзистора обычно является входным, другой — выходным, а третий — общим относительно входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три основные схемы включения транзистора: с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК. Зависимость между током и напряжением электродов транзистора может быть выражена как аналитически, так и графически. В инженерной практике расчета устройств на транзисторах широкое применение нашел графический метод с использованием статических вольт-амперных характеристик, сочетающий в себе наглядность и простоту. 1.2 Статические характеристики транзисторов Ток любого электрода транзистора является функцией двух напряжений U1 и U2, где U1— напряжение между входным и общим электродами, U2— напряжение между выходным и общим электродами. Кроме того, токи электродов связаны соотношением Iэ = Iб+ IК . Таким образом, пять неизвестных параметров режима работы транзистора (U1 , U2, Iб, IК, Iэ ) связаны между собой тремя независимыми уравнениями. Поэтому задание любых двух параметров (аргументов) однозначно определяет значения остальных параметров и, следовательно, режим работы транзистора. Статической характеристикой называют зависимость тока какого-либо электрода транзистора от одного из аргументов при фиксированном значении другого и медленном изменении варьируемых значений переменных величин с тем, чтобы режим работы практически оставался статическим. Каждая точка характеристики соответствует определенному статическому режиму транзистора (режиму по постоянному току). Задавая различные значения фиксированному аргументу и определяя каждый раз зависимость электродного тока от варьируемого аргумента, получают семейство статических характеристик. Каждая схема включения транзистора характеризуется двумя независимыми семействами статических характеристик. Обычно используются входные и выходные характеристики, удобные для расчета транзисторных устройств. Рассмотрим статические характеристики для схемы с ОЭ, широко используемой в усилительных и импульсных каскадах. Источники напряжения для этой схемы должны быть включены так, как показано на рисунке 1. Рисунок 1 - Схема включения источников питания для схемы с ОЭ Рисунок 2 - Входные характеристики транзистора Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимость Iб= f(Uбэ ) при Uкэ = const. Эти характеристики можно называть базовыми характеристиками. Их примерный вид для маломощных германиевых транзисторов приведен на рисунке 2 (для кремниевых транзисторов базовые характеристики смещены в область больших Uбэ). При Uкэ =0 оба перехода включены в прямом направлении. Поэтому ток базы равен сумме прямых токов эмиттерного и коллекторного переходов. При |Uкэ| > |Uбэ| коллекторный переход смещается в обратном направлении, и ток базы резко уменьшается. Начиная с Uкэ > 1В входные характеристики практически не отличаются друг от друга. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимость Iк= f(Uкэ ) при Iб = const. Эти характеристики можно назвать коллекторными. Вид этих характеристик показан на рисунке 3. Рисунок 3 - Выходные характеристики транзистора Для того, чтобы транзистор мог работать как усилительный элемент, необходимо выполнение условия |Uкэ| > |Uбэ| (при этом коллекторный переход обратно смещен). Поскольку даже для кремниевого транзистора Uбэ ≤ 0,6B, а для эффективного собирания носителей заряда коллектором необходимо напряжение |Uкб|≈ 0,3—0,4 В, то минимальное напряжение на коллекторе, при котором транзистор еще находится в усилительном режиме, равно Uкэ нас ≈ 1 В. Это напряжение называется напряжением насыщения. В активной (усилительной) области коллекторный ток в соответствии с теорией работы идеального транзистора не должен зависеть от напряжения, а определяться только током базы. Однако приращение ΔUкэ частично падает на эмиттерном переходе, вызывая приращение ΔIэ и дополнительное приращение тока Iк. К тому же при увеличении Uкэ растет и коэффициент усиления базового тока В. Поэтому наклон выходных характеристик имеет конечное значение. В схеме с ОБ этот наклон заметно меньше. При уменьшении напряжения Uкэ менее Uкэ нас происходит приоткрывание коллекторного перехода. В этом режиме прямой ток коллекторного перехода и эмиттерный ток направлены навстречу друг другу, что приводит к уменьшению результирующего тока Iк. В области насыщения .транзистор теряет усилительные свойства — изменение входного напряжения практически не вызывает изменения выходного напряжения. При слишком больших коллекторных напряжениях, превышающих напряжения пробоя Uкэ проб, происходит резкое возрастание тока Iк и разрушение коллекторного перехода. При анализе усилителей на транзисторах часто используется еще одна статическая характеристика: Iк= f(Uбэ ) при Uкэ = const. Рисунок 4 - Проходная характеристика транзистора Эта характеристика называется проходной или передаточной. Она может быть снята самостоятельно или построена с использованием входных - и выходных характеристик. Примерный вид проходной характеристики показан на рисунке 4. По статическим вольт-амперным характеристикам можно определить следующие основные параметры транзистора в схеме с ОЭ: studfiles.netПринцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов. Вольт амперная характеристика выпрямительного диода
Выпрямительные диоды: Конструктивные особенности и особенности вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов
< Предыдущая Следующая > Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи
Свойства и вольт-амперная характеристика
Видео
Оцените статью: 1.4. Полупроводниковый диод
1.5. Вольтамперная характеристика диода
Вольт-амперная характеристика диода
Основные параметры диода
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
принцип действия и основные параметры
Принцип работы
Разновидности устройств, их обозначение
Вольт-амперная характеристика
Коэффициент выпрямления
Основные параметры устройств
Выпрямительные схемы
Импульсные приборы
Импортные приборы
2.4 Выпрямительные диоды
Исследование ВАХ
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: