Содержание отчёта

Содержание отчета:

1. Для каждого из опытов:

- схемы,

- таблицы экспериментальных данных,

- графики зависимостей.

2. По ВАХ выпрямительного диода определить

- статическое сопротивление в 3-4 точках прямой и обратной ветвей характеристики,

- динамическое сопротивление на линейном участке прямой и обратной ветвей характеристики.

3. По ВАХ кремниевого стабилитрона определить

- напряжение пробоя стабилитрона,

- максимальный и минимальный токи, при которых обеспечивается стабилизация напряжения,

- динамическое сопротивление на участке стабилизации.

4. График ВАХ светодиода.

5. График ВАХ фотодиода (обратные ветви при различных токах светодиода).

Вопросы для подготовки к защите

1. Зависит ли конструкция диода от значения выпрямляемого тока, его частоты, значения допустимого напряжения, температуры окружающей среды?

2. Из каких материалов изготовляют выпрямительные диоды?

3. Чем обусловлен обратный ток диода ?

4. Что такое электрический пробой, чем отличается от пробоя теплового для кремниевых диодов?

5. В чем различие между статическим и динамическим (дифференциальным) сопротивлениями, каков их физический смысл?

6. Есть ли принципиальные различия между выпрямительным кремниевым диодом и фотодиодом?

7. Могут ли создавать электрический ток фотодиоды при отсутствии внешнего источника электроэнергии?

8. Для каких целей кроме выпрямления переменного тока можно использовать выпрямительные диоды?

Рис 9. Схема для исследования оптоэлектронной пары

ВАХ выпрямительных диодов

Прямая ветвь ВАХ светодиода

ВАХ фотодиода оптопары

Г енераторный режим фотодиода оптопары

Полупроводниковые диоды

Общая характеристика

Полупроводниковый диод – двухэлектродный прибор, принцип действия которого основан на использовании явлений, возникающих между частями монокристалла полупроводника с проводимостями p- и n-типа. Слой, образующийся на границе двух областей полупроводника, обладающих противоположными типами электропроводимости – дырочной p и электронной n, называют электронно-дырочным переходом (ЭДП) или p-n переходом. p-n переходы являются основными структурами большинства полупроводниковых приборов.

Образование контактной разности потенциалов обедняет области p и n ЭДП основными носителями заряда. Это повышает электрическое сопротивление ЭДП. Поэтому область ЭДП называют запирающим слоем. Его толщина – микроны-десятки микрон. ЭДП возникает не только на границе двух полупроводников с разной проводимостью, но и при контакте полупроводника с металлом.

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах, работающих в непрерывных и импульсных режимах, и делятся по назначению на выпрямительные диоды (в том числе универсальные диоды, работающие в широком диапазоне частот), импульсные, СВЧ диоды, варикапы, стабисторы и стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные и др.

Выпрямительные диоды

Служат для выпрямления переменного тока низкой (до 50 кГц) частоты. Выпускают германиевые, кремниевые, титановые и др. диоды. Для выпрямления высоких напряжений и больших токов используют выпрямительные столбы.

(1)

Зависимость тока через ЭДП от внешнего электрического поля (напряжения) – ВАХ ЭДП – имеет вид:

где I_S – неуправляемый тепловой (обратный) ток или ток насыщения. I_S обусловлен неосновными носителями заряда (дырками из n-области, электронами из p-области).

e = 2,718…– основание натурального логарифма,

q = 1,602…· 10­^-23 Кл – заряд электрона,

U – внешняя разность потенциалов, приложенная непосредственно к ЭДП (напряжение на электродах диода за вычетом падения напряжения на p- и n-слоях монокристалла),

K=1,380662·10^-23 Кл·В/К – постоянная Больцмана,

T – абсолютная температура, К.

Положительным внешнее напряжение считают в том случае, когда плюс приложен к p-области. При этом протекает прямой ток – ток из p-слоя в n-слой. Если к ЭДП приложено положительное напряжение, то говорят, что диод «смещен в прямом направлении». Напряжение противоположной полярности называют «обратным».

В виде графика ВАХ ЭДП показана на рис.1

Рис. 1

При комнатной температуре постоянная экспоненты В. Поэтому уже при очень малых обратных напряжениях (U < -0,1 В) обратный ток практически равен I_S. По этой же причине малые прямые напряжения на ЭДП (U > 0,1 В) позволяют пренебречь единицей в выражении (1).

В создании прямого тока участвуют основные носители: дырки из p-слоя «перетекают» (инжектируются) в n-слой, а электроны из n-слоя инжектируются в p-слой.

Для ускорения переходных процессов, возникающих при смене полярности внешнего напряжения, концентрации примесей в слоях n и p делают различными. Слой p, относительно богатый примесями (а значит и основными носителями), называют «эмиттером», слой n беден носителями, т.к. концентрация примесей в нем в сотни раз меньше, чем в p-слое. Слой n называют «базой». Т.о. прямой ток обусловлен в основном дырками. Площадь ЭДП составляет у различных выпрямительных диодов от сотых долей кв. миллиметра до десятков кв. сантиметров.

Основные параметры выпрямительных диодов

1. Средний прямой ток I_пр.ср – среднее за период переменного напряжения значение прямого тока через диод. Уменьшается с увеличением температуры корпуса и частоты следования тока.

2. Постоянное прямое напряжение U_пр – постоянное значение прямого напряжения, обусловленное постоянным прямым током.

3. Постоянный обратный ток I_обр – обусловлен постоянным обратным напряжением.

4. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U _обр.max­.

5. Максимально допустимая частота f_max – наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода.

6. Импульсный прямой ток I_пр.и – наибольшее мгновенное значение прямого тока, исключая повторяющиеся переходные токи.

Оптоэлектронные приборы

Это группа полупроводниковых приборов, действие которых основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой части спектра, инфракрасной и (или) ультрафиолетовой областях спектра.

Светоизлучающие диоды (светодиоды) - это полупроводниковые диоды с одним электронно-дырочным переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование энергии электрического поля в оптическое излучение вследствие рекомбинации электронов и дырок. Используются чаще всего в устройствах визуального представления информации.

Исходным материалом для светодиодов служат арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния. ЭДП светодиода смещают прямым внешним напряжением. При прохождении прямого тока в прилежащих ЭДП областях происходит интенсивная рекомбинация электронов и дырок. Это соответствует переходу электрона с высокого энергетического уровня на уровень с меньшим запасом энергии через запрещенную зону. Поэтому выделяется излишек энергии.

У германия и кремния ширина запрещенной зоны мала (соответственно 0,75 и 1,12 эВ). Поэтому выделяемая энергия поглощается кристаллом полупроводника. Полупроводник светодиода имеет бóльшую ширину запрещенной зоны (для арсенида галлия ΔE=1,38 эВ), избыток энергии излучается в виде квантов света.

Длина волны светового потока

где ћ = 6,62·10^-34 Дж · с – постоянная Планка;

ΔE_p – разность энергий энергетических уровней, эВ.

Спектральный состав излучения зависит от материала полупроводника и введенных примесей. Для арсенида галлия ΔE_p=ΔE, длина волны излучения примерно равна 0,8 мкм.

ЭДП из фосфида галлия и карбида кремния излучают видимый свет в диапазоне от голубого до красного цвета, для ЭДП этих светодиодов ΔE_p<ΔE.

Светодиоды характеризуют спектральным составом излучения, мощностью излучения и коэффициентом полезного действия.

Основными характеристиками светодиодов являются яркостная (или ватт-амперная) характеристика, прямой ток, прямое и обратное напряжение.

Светодиоды включают по схеме:

Светодиоды нуждаются в источнике питания с большим внутренним сопротивлением. Для этого последовательно с источником питания включают резистор. Это уменьшает наклон яркостных характеристик, а проходящий через светодиод ток меньше зависит от напряжения питания.

Я ркостные (ватт-амерные) характеристики имеют для различных светодиодов следующий вид

В группу светодиодов помимо светоизлучающих диодов входят также инфракрасные излучающие диоды ИК и линейные шкалы.

Основные параметры ИК-диодов – прямое и обратное напряжение и прямой ток.

Н изкие напряжения и малые токи позволяют применять светодиоды в низковольтных транзисторных устройствах (индикации, фотопамяти и др.).

Инерционность светодиодов не превышает 10^-6…10^-8 с, поэтому их используют в импульсных режимах на частотах до 100 МГц.

ИК-диоды широко применяются в аппаратуре автоматизации и автоматического регулирования.

Линейные шкалы, изготовленные в виде пластин на основе светоизлучающих диодов, используются для быстрого наглядного изображения изменяющейся информации многоканальных систем.