Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДИОДОВ

Методические указания

К лабораторным работам по курсу

«Электроника»

ПЕНЗА 2006

УДК 621.375

В лабораторных работах исследуются основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов.

Описания работ составлены с ориентацией на фронтальное проведение работ, содержат краткие теоретические сведения, расчетные и экспериментальные задания, методику выполнения, контрольные вопросы, позволяющие студенту усвоить необходимый теоретический материал.

Методические указания подготовлены на кафедре “Радиотехника и радиоэлектронные системы” и предназначены для студентов специальности “Радиотехника”, изучающих курс “Электроника”.

Ил. 11, табл. 8, библиогр. 6 назв..

Рецензент:

Лабораторная работа №1

Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов

Цель работы - ознакомление с основными параметрами и характеристиками полупроводниковых выпрямительных диодов.

Общие сведения

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый 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 U_пр.._ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_{обр. ср} — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

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

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mах} — средний за период ток через 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 f_тах — наибольшая частота подводимого напряжения, 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) = Е_m 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 R_Н падение напряжения U_{вых ,} повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, U_вых = 0. Таким образом, через диод и R_Н протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе R_Н пульсирующее выпрямленное напряжение U_вых .

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

U_cp = U_max / p =0,318 U_max

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 U_{обр. mах} (U_{обр. и mах}) – постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению.

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

Постоянный обратный ток I_обр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (U_{обр мах}). Чем меньше I_обр , тем качественнее диод.

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

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

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ) – 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 (t_восст.) 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 t_восст.= t_1.+ t_2., где t_1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль; t_2. – 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.

Задание

Расчетная часть

1. Рассчитать вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода I=f(U) при температуре окружающей среды +20⁰С и +40⁰С в диапазоне U=0…300мВ (не менее 5 точек).

Ток диода при прямом напряжении U: ,

, , ,

где - обратный ток диода,

- температурный потенциал электрона,

k - постоянная Больцмана,

q - заряд электрона.

2. Определить дифференциальное сопротивление и сопротивление диода постоянному току в начале линейного участка ВАХ при температуре окружающей среды +20⁰С и +40⁰С соответственно.

, .

Исходные данные к расчету

Выпрямительный диод Д223А, _макс=50мA, =1мкA ( =20 ).

Экспериментальная часть

а б

Рис.7

1. Исследовать полупроводниковые выпрямительные диоды VD1, VD2 рис. 7,а,б:

- cнять вольт-амперные характеристики (ВАХ) диодов VD1, VD2 I=f(U), (не менее 10 точек);

- результаты оформить в виде таблиц 1, 2 и графиков.

Таблица 1

Таблица 2

- по результатам определить типы используемых выпрямительных диодов (кремниевый или германиевый);

- определить значение емкостей диодов Cд1, Сд2 при обратном напряжении U_обр=4В.

2. Исследовать схему однополупериодного выпрямителя рис. 7,а:

- зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе выпрямителя при подаче на вход синусоидального колебания заданной амплитуды и частоты;

- зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе выпрямителя при подаче на вход колебания типа “меандр” заданной амплитуды и частоты.

3. Исследовать схему диодного амплитудного ограничителя рис. 7,б:

- зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе амплитудного ограничителя при подаче на вход синусоидального колебания заданной амплитуды и частоты;

- зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе амплитудного ограничителя при подаче на вход колебания типа “меандр” заданной амплитуды и частоты;

- по результатам определить порог ограничения для данного амплитудного ограничителя рис. 7,б.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема макета, представленная на рис. 7, позволяет изучить основные свойства кремниевого и германиевого полупроводниковых диодов. Для снятия прямой и обратной ВАХ диодов на схемы подается регулируемое напряжение Uрег соответствующей полярности. Схема на рис.7,а позволяет изучить принцип работы однополупериодного выпрямителя. Схема рис.7,б позволяет исследовать амплитудный диодный ограничитель.

Указания по выполнению работы

1. Для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов VD1, VD2 необходимо использовать регулируемый стабилизированный источник питания 0-15В, напряжение с которого подключается к клеммам “Uрег” на лабораторном стенде с соответствующей полярностью. Для снятия прямой ветви ВАХ на анод диода подается положительное напряжение Uрег (прямое включение диода). Для снятия обратной ветви ВАХ на анод подается отрицательное напряжение Uрег (обратное включение диода). Изменяя напряжение Uрег с источника питания от нуля до 15В, вольтметром постоянного тока или универсальным вольтметром фиксируют напряжения на диоде и резисторе R1, данные заносятся в таблицу. Значение тока рассчитывается по закону Ома.

Для определения значений емкостей диодов Cд1, Сд2 на схемы рис. 7,а,б подают синусоидальное колебание амплитудой Uвх=4В частотой f=0,3МГц. Обратное для диода напряжение, в данном случае отрицательная полуволна, используется для определения реактивного сопротивления емкости диода на заданной частоте. Схема замещения цепей рис. 7, а, б на высокой частоте для обратного напряжения представляет собой резистивно-емкостной делитель, что позволяет приближенно оценить значения емкостей диодов Cд1, Сд2:

где Uвх – амплитуда входного напряжения,

UR1 – значение обратного напряжения (отрицательной полуволны) на резисторе R1,

UVD2 – значение обратного напряжения на диоде VD2.

Значения Uвх, UR1, UVD2 определяют с помощью осциллографа.

2. Для исследования схемы однополупериодного выпрямителя на схему рис.7,а последовательно подают синусоидальное колебание и колебание типа “меандр” с генератора низкой частоты. При этом выход генератора подключается к клеммам “Uрег” лабораторного стенда. Значение амплитуд и частот сигналов указывается преподавателем. С помощью осциллографа зарисовать сигналы на входе и выходе однополупериодного выпрямителя.

3. Для исследования схемы диодного амплитудного ограничителя на схему рис.7,б последовательно подают синусоидальное колебание и колебание типа “меандр” с генератора низкой частоты. При этом выход генератора подключается к клеммам “Uрег” лабораторного стенда. Значение амплитуд и частот сигналов указывается преподавателем. С помощью осциллографа зарисовать сигналы на входе и выходе амплитудного ограничителя. По результатам определить порог ограничения амплитудного ограничителя.

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Исходные данные для расчета.

3. Предварительный расчет.

4. Принципиальную схему лабораторной установки.

5. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

6. Графики зависимостей, полученных в результате эксперимента и расчета.

7. Краткие выводы по результатам расчета и эксперимента.

Контрольные вопросы

1. Пояснить как образуется p-n-переход.

2. Свойства p-n-перехода, потенциальный барьер.

3. Какой из выводов полупроводникового диода называют базой, а какой эмиттером и почему?

4. Виды полупроводниковых диодов, назначение, область применения, основные параметры и характеристики.

5. В чем особенность диодов Шотки, их достоинства и область применения.

6. В чем отличие идеальной ВАХ полупроводникового диода от реальной?

7. Сравнить ВАХ германиевого и кремниевого полупроводникового диода, сопоставить с полученными экспериментальными данными.

8. Сравнить по температурным свойствам кремниевый и германиевый полупроводниковые диоды.

9. Что называют прямым включением диода?

10. Какой ток протекает через диод при его обратном включении и чем он вызван?

11. Какое явление называется пробоем диода? Виды пробоя.

12. Что называют дифференциальным сопротивлением диода?

13. Пояснить как в лабораторной работе экспериментально снимались ВАХ диодов?

14. Нарисовать принципиальную схему однополупериодного выпрямителя отрицательного напряжения и осциллограммы сигнала на его входе и выходе.

15. Нарисовать принципиальную схему амплитудного диодного ограничителя, исследовавшегося в работе, и осциллограммы сигнала на его входе и выходе, пояснить принцип действия.

16. Чем обусловлен порог ограничения амплитудного диодного ограничителя?

17. Чем обусловлены инерционные свойства полупроводниковых диодов?

18. Какие параметры характеризуют инерционность полупроводниковых диодов?

Поиск по сайту: