Основные теоретические положения

 

Полупроводниковыми диодами называют электропреобразовательные приборы с одним р-n-переходом, имеющие два вывода.

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором выполнен р-n-переход. К двум полупроводниковым областям, образующим переход, привариваются или припаиваются выводы из металлической проволоки, и вся система заключается в стеклянный, металлический, пластмассовый или керамический корпус. Одна из полупроводниковых областей, образующих р-n-переход, имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая полупроводниковая область - базу. Вывод, на который необходимо подать положительное напряжение для включения диода в прямом направлении, называется анодом. Второй вывод, на который необходимо подать отрицательное напряжение для включения диода в прямом направлении, называется катодом.

Полупроводниковые диоды различают по типу р-n-перехода: плоскостные и точечные. Диоды первого типа получают обычно сплавным или диффузионным методом. В точечных диодах площадь перехода значительно меньше, чем в плоскостных. Для этого типа изготавливают методом вплавления тонкой металлической проволоки в базу диода.

Классифицируют диоды также по основному материалу: германиевые, кремниевые, диоды из арсенида галлия и др. Однако одним из основных признаков служит назначение: выпрямительные диоды, детекторные, преобразовательные, переключательные, стабилитроны. Выделяют также диоды, отличающиеся основными физическими процессами: лавинный диод, туннельный диод, фотодиод, светодиод и др.

Система обозначений полупроводниковых диодов регламентируется ГОСТ 10 832 - 72, их условные графические обозначения- ГОСТ 2.728 - 73, а термины - ГОСТ 20 004 - 74, ГОСТ 20 005 - 74 и ГОСТ 18 994 - 73.

Полупроводниковый диод содержит один переход. Концентрации одноименных носителей зарядов в двух областях полупроводника различного типа электропроводности, образующих р-n переход, неодинаковы. В результате разности концентраций возникает диффузионное движение частиц: дырки движутся из р-области в n-область, а электроны диффундируют в обратном направлении. Переходя границу раздела, дырки попадают в n-область, где они постепенно рекомбинируют c электронами, концентрация которых в этой области велика. Аналогично в р-области протекают процессы рекомбинации дырок с пришедшими туда электронами. В результате в приграничных слоях нарушается условие электрической нейтральности. В р-области остаются нескомпенcированными отрицательные заряды неподвижных акцепторных ионов, а в n-области остаются нескомпенсированными отрицательные заряды неподвижных ионов доноров. Этот двойной слой электрических зарядов создает вблизи границы электрическое поле. Область нескомпенсированных зарядов называется запирающим слоем. Запирающий слой обеднен подвижными носителями зарядов, поэтому сопротивление его значительно выше сопротивления полупроводника за пределами слоя.

Нескомпенсированный заряд создает на переходе контактную разность потенциалов j_k (потенциальный барьер), которая препятствует дальнейшей диффузии основных носителей.

Вместе с тем под действием поля p-n-перехода возникает дрейфовое движение через границу неосновных носителей зарядов: дырок из n-области и электронов в обратном направлении.

Через границу перехода наблюдаются встречные потоки одноименно-заряженных частиц и, следовательно, текущие навстречу токи. В результате диффузии основные носители зарядов - дырки и электроны - перемещаются в противоположных направлениях. Поскольку они переносят электрические.заряды противоположных знаков, то образуют дырочную и электронную составляющие единого диффузионного тока:

j_D= j_Dp + j_Dn

Аналогично для плотности дрейфового тока, образованного встречным движением неосновных носителей зарядов:

j_д= j_др + j_дп

Равновесие на переходе установится при условии, что поле достигнет такого значения, при котором диффузионный ток оказывается полностью скомпенсированным встречным дрейфовым током и полный ток через переход равен нулю:

j= j_D + j_д= 0

При подключении к р-n-переходу внешнего напряжения U в прямом направлении (полярность внешнего напряжения противоположна контактной разности потенциалов), потенциальный барьер на переходе уменьшится до величины j_к - u. Равновесие на переходе нарушается (j_{D >} j_д) и через переход течет ток вследствие увеличения диффузионного движения дырок из р-области в n-область и электронов в обратном направлении.

В результате при подключении к переходу прямого напряжения развивается диффузионное движение носителей зарядов через запирающий слой в ту область, где они являются неосновными носителями. Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда. С уменьшением потенциального барьера уменьшаются напряженность электрического поля в запирающем слое и ширина запирающего слоя. Дырки диффундируют от границы перехода в глубь n-области, постепенно рекомбинируя с электронами, а электроны диффундируют в р-область, постепенно рекомбинируя с дырками.

При подключении к переходу внешнего напряжения обратной полярности потенциальный барьер возрастает до величины j_к+ |u| равновесие на переходе нарушается, но в отличие от случая прямого смещения плотность диффузионных потоков основных носителей уменьшится (j_{D <} j_д) и через переход потечет ток, обусловленный перемещением неосновных носителей зарядов: дырок из n-области в р-область и электронов в обратном направлении. С увеличением обратного напряжения запирающий слой расширится, напряженность поля внутри его растет, но ток через переход практически не меняется, поскольку концентрация неосновных носителей не зависит от обратного напряжения. По этой причине ток, текущий через переход при подключении обратного напряжения, называют обратным током насыщения I_o. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных, то и величина обратного тока I_o незначительна. I_o может возрасти за счет роста концентрации неосновных носителей при увеличении температуры. Поэтому обратный ток называют также тепловым током.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода и идеализированного диода имеет вид

, (1)

где I_o - тепловой ток обратносмещенного р-n-перехода;

U - падение напряжения на диоде;

j_т- температурный потенциал, определяемый соотношением

j_т=КТ/q (К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура перехода; q - заряд электрона). Для нормальных условий (Т = 300⁰К) j_т = 26 мВ.

Ток диода I и напряжение U положительны при прямом смещении (плюс к аноду, минус к катоду). При обратном смещении ток и напряжение отрицательны. График зависимости I показан на рис. 1 (кривая 1). На прямой ветви U >0 ток I экспоненциально растет, на обратной ветви U < 0 имеет выраженный участок насыщения I = I_o. Диод характеризуется дифференциальным сопротивлением r_диф=dU/dI|I=const определяемым как котангенс угла наклона касательной к характеристике в рабочей точке. Дифференциальное сопротивление зависит от тока и от приложенного к диоду напряжения. При U < 0 r_диф велико: от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. При U >0 r_диф мало, но зависит от тока, с увеличением прямого тока оно уменьшается. Пользуясь аналитическим выражением ВАХ (1) можно получить выражение для дифференциального сопротивления р-n-перехода: . Для реальных диодов дифференциальное сопротивление определяют как отношение конечных приращений напряжения DU и тока DI в окрестности заданной точки характеристики по методу касательных или секущих: . Сопротивление по постоянному току определяется отношением напряжения, приложенного к диоду, к соответствующей величине тока:

При значительном увеличении обратного напряжения на р-n-переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем электронно-дырочного перехода. Пробой перехода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в запирающем слое, либо в результате разогрева перехода при протекании тока большой величины. Различают несколько видов пробоя.

ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ. Этот вид пробоя развивается, если к переходу приложено высокое обратное напряжение и суммарное поле в запирающем слое может оказаться настолько большим, что неосновные носители, ускоренные полем перехода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов полупроводника. В результате ударной ионизации в запирающем слое развивается лавина подвижных носителей заряда.

Для лавинного пробоя характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении (рис. 1).

 

Рис.1. Пробой p-n-перехода: 1 - лавинный; 2 - туннельный; 3 - тепловой

 

ТУННЕЛЫЙ ПРОБОЙ. Он обусловлен туннельным происхождением носителей заряда через р-n-переход при смещении энергетических зон вблизи границы р-n-перехода в результате действия сильного электрического поля. Начало туннельного пробоя оценивают по десятикратному превышению туннельного тока над обратным током I_o. В случае высокоомных полупроводников U_{проб.тун.}> U_{проб.лав.;} для более низкоомных полупроводников туннельный пробой развивается при меньших напряжениях: U_{проб.тун.}< U_{проб.лав}

Характеристика обратного тока при туннельном пробое имеет такой же вид, как и при лавинном (рис.1). Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми. При снижении обратного напряжения р-n-переходы восстанавливают свои свойстве. Эти два типа пробоя называют электрическими.

ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ. Этот вид пробоя возникает в результате разогрева р-n-перехода обратным током большой величины. Число неосновных носителей заряда и обратный ток возрастают; в результате переход разогревается еще больше и т.д. Зависимость обратного тока от напряжения при тепловом пробое имеет характерный участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис.1). При тепловом пробое происходит разрушение кристалла полупроводника. В отличие от электрического пробоя тепловой пробой является необратимым.

ВАХ реального диода лишь с некоторым приближением описывается зависимостью (1). На большом участке характеристики прямой ток диода может быть значительно ниже теоретически возможного, а обратный ток - больше тока насыщения. Прямая ветвь характеристики близка к экспоненте лишь при сравнительно малых прямых смещениях. Главной причиной, обуславливающей отличие прямых ветвей ВАХ реального и идеального диодов, является наличие сопротивления базовой области. При происхождении прямого тока на этом сопротивлении возникает падение напряжения, снижающее смещение перехода.

При некотором прямом напряжении потенциальный барьер снижается настолько, что перестает влиять на величину протекающего тока через переход прямого тока. Прямой ток диода при этом будет определяться лишь сопротивлением базы и линейно зависит от приложенного напряжения. Этот участок характеристики называется омическим и составляет в большинстве случаев ее основную рабочую область. Вырождение экспоненциальной зависимости в линейную происходит при сравнительно малых токах. Падение напряжения на кремниевом диоде при протекании через него номинального тока составляет 0,6 - 1,2 В, а на германиевом диоде 0,3 - 0,5 В.

Главной причиной различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов является то, что обратный ток реального диода имеет три составляющие: ток насыщения I_0, ток теpмогенерации I_тг и ток поверхностной утечки I_ут:

I_обр.= I₀+ I_тг+ I_ут

 

Ток насыщения I₀ в германиевом диоде на несколько порядков больше тока в кремниевом диоде. Ток термогенерации в германиевых диодах при нормальных условиях мал. В кремниевых диодах ток термогенерации является основной составляющей обратного тока. Ток термогенерации растет с увеличением обратного напряжения. Ток утечки при больших отрицательных напряжениях сравним с током I₀ в германиевых и с током I_тг в кремниевых диодах. Ток утечки растет пропорционально обратному напряжению. При нормальных условиях обратный ток в германиевых диодах определяется в основном тепловым током, а в кремниевых диодах током термогенерации. Тепловой ток I₀ и ток термогенерации увеличиваются с температурой, причем тепловой ток изменяется сильней. При температуре свыше 100 °С в кремниевых диодах начинает преобладать тепловой ток. В соответствии с ростом этих токов увеличивается полный обратный ток, а прямая ветвь характеристики сдвигается влево и становится более крутой.

Электрическими параметрами диодов являются:

прямой ток I_пр;

обратный ток I_обр;

прямое падение напряжения U_пр;

обратное напряжение U_обр.

К параметрам предельного режима работы диода относятся:

наибольшее обратное напряжение U_обр.max;

наибольший выпрямленный ток I_пр.max;

предельная частота выпрямления f_q наибольшая температура корпуса T_кmax;

обратное пробивное напряжение U_обр.пр.

Полупроводниковым стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком характеристики стабилитрона (рис. 3) является область пробоя обратной ветви ВАХ перехода, которая почти параллельна оси токов, а рабочим напряжением - напряжение пробоя. При ограничений тока через стабилитрон он может использоваться для стабилизации напряжения.

 

Рис.2. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

 

Полупроводниковые стабилитроны изготавливают обычно на основе кремния, У стабилитрона с малым рабочим напряжением (до 3 - 4 В) возникает туннельный пробой.

У стабилитрона с рабочими напряжениями более 7 В возникает лавинный пробой. У стабилитронов с рабочими напряжениями 3 - 7 В пробой определяется совместным воздействием туннельного и лавинного механизмов.

Основными параметрами полупроводниковых стабилитронов являются:

1. Напряжение стабилизации U_ст.

2. Максимальный и минимальный токи стабилизации I_ст.max и I_ст.min.

3. Дифференциальное сопротивление

4. Температурный коэффициент напряжения (ТКН), равный отношению относительного приращения напряжения стабилизации к абсолютному приращению температуры, выраженный в процентах:

5, Наибольшая рассеиваемая мощность P_max.

6. Допустимый разброс напряжения стабилизации DU_ст %

Прямая ветвь ВАХ стабилитрона имеет такой же вид, как и у обычного диода.

 

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

 

1. Изучить принцип работы полупроводникового диода и стабилитрона, их характеристики и параметры.

2. Начертить схемы для исследования полупроводниковых диодов в прямом и обратном включении.

 

ПРОГРАММА РАБОТЫ

 

1. На панели для исследования полупроводниковых приборов собрать схему рис. 3.

Рис.3. Схема для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики диода.

Снять прямую ветвь ВАХ диода (стабилитрона), изменяя прямой ток. Полученные данные занести в табл. 1.

 

Таблица 1

Iдпр
Uдпр

 

2. Собрать схему рис.4. Снять обратную ветвь характеристики стабилитрона, изменяя обратное напряжение. Полученные данные занести в табл. 2.

Закончив эксперимент, установку выключить. По результатам эксперимента построить в масштабе BAХ диода.

Рис.4. Схема для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона.

 

Таблица 2

Iд.обр
Uд.обр.

 

3. Определить дифференциальное сопротивление диода и его сопротивление постоянному току для следующих значений тока через диод: 0, 3, 5, 10, 15 мА; построить их зависимость от тока.

4. Исследовать работу диода (стабилитрона) в цепи с нагрузкой. Для этого собрать схему рис.5. Снять зависимость напряжения на сопротивлении R1-U_R1 и тока I в цепи от входного напряжения U1, приложенного в прямом направлении. Результаты измерений занести в табл. 3.

Для каждого значения U1 вычислить падение напряжения на диоде U_д = U1-U_R1 или определить его по ВАХ и занести в табл. 3. Построить графики зависимостей U_R1=f(U1); U_д = f(U1); I = f(U1) в одной системе координат, проанализировать перераспределение напряжений между сопротивлением и диодом.

5. Повторить п. 4.4 при обратной полярности напряжения, изменив при этом и полярность включения приборов.

 

Рис.5. Схема для исследования работы диода (стабилитрона) в цепи с нагрузкой

 

Таблица 3

U1
I
UR1
Uд

 

6. Для каждого значения входного напряжения U1 определить графоаналитическим методом падение напряжения на сопротивлении U_R1, приборе U_д, а также ток I в цепи, воспользовавшись для этого полученной ранее ВАХ диода и построив в ее координатах нагрузочную прямую I=(U1-U_д)/R1; R1 = 1 ком. Точка пересечения нагрузочной прямой и ВАХ диода дает искомые величины U_д, I, U_R1.

Полученные результаты занести в таблицу, аналогичную табл. 3. и сравнить результаты, полученные расчетным путем и экспериментально.

7. По полученным данным построить в масштабе ВАХ стабилитрона. Определить напряжение стабилизации стабилитрона. Рассчитать дифференциальное сопротивление стабилитрона.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать принципиальные схемы для снятия ВАХ, таблицы с экспериментальными результатами, графики ВАХ, построенных в масштабе, результаты расчетов, выводы, сделанные при исследовании.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое полупроводник? Чем обусловлена электропроводность полупроводника? Какие бывают типы полупроводников?

2. Что такое р-n-переход? Чем объясняется наличие запирающего слоя и потенциального барьера р-n -перехода?

3. Какие токи протекают через р-n -переход при прямом и обратном включении?

4. Какие токи протекает через р-n -переход при отсутствии внешнего напряжения и чем они обусловлены?

5. Как изменяется толщина запирающего слоя и высота потенциального барьера при прямом и обратном включении р-n-перехода?

6. Какова зависимость между током, протекающим через р-n-переход, и напряжением, приложенным к нему? Как изменяется она с температурой?

7. Что такое пробой р-n -перехода? Какие бывают виды пробоев?

8. Как зависит напряжение пробоя р-n -перехода от температуры?

9. Чем объясняется отклонение экспериментальной ВАХ полупроводникового диода от теоретической?

10. Что такое дифференциальное сопротивление диода и сопротивление постоянному току и как они зависят от прямого тока?

11. Каково соотношение между сопротивлением диода, включенного в прямом и обратном направлениях?

12. Какие бывают типы полупроводниковых диодов и как они классифицируются?

13. Какими эксплуатационными параметрами характеризуется полупроводниковый диод?

14. Каков верхний предел рабочей температуры германиевых и кремниевых диодов?

15. Каково соотношение между тепловыми токами германиевых и кремниевых диодов?

16. Что такое полупроводниковый стабилитрон?

17.При каких видах пробоя работает стабилитрон?

18. Каковы эксплуатационные параметры стабилитрона?

19.Как изменяется напряжение стабилизации стабилитрона при увеличении температуры?

20. Чем определяется минимальное и максимальное значения рабочего тока стабилитрона?

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Дулин В.Н. Электронные приборы. М.: Энергия, I977. 424 с.

2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. М.: Высш. школа, 1981. 431 с.

3. Справочник: Транзисторы для аппаратуры широкого применения /Под ред. В.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 555 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение принципа действия и основных характеристик выпрямителя.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: