2.1 Модели полупроводниковых диодов

Однопараметрическая модель Шокли описывает ВАХ идеального диода:

(1)

Здесь - разность потенциалов (напряжение) на выводах диода, - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура диода. Единственный параметр имеет смысл тока насыщения при обратном смещении диода при . Этот параметр равен произведению площади p-n-перехода S и плотности тока насыщения

, (1а)

где - концентрации доноров и акцепторов в p- и n-областях соответственно, - собственная концентрация носителей, , - диффузионные длины и времена жизни неосновных электронов и дырок. Модель Шокли описывает только ток инжекции.

Если имеет место гомо p-n переход, то формулу (1а) можно модифицировать и выразить плотность тока насыщения с учетом величины ширины запрещенной зоны полупроводника :

Прямая ветвь ВАХ реального диода описывается двухпараметрической зависимостью, обобщающей формулу Шокли:

(2)

Здесь - коэффициент неидеальности диода. Он учитывает влияние на ток следующих факторов:

- рекомбинации носителей в области пространственного заряда (ОПЗ);

- утечек носителей;

- последовательного сопротивления базы.

Каждый из перечисленных факторов доминирует на определённых интервалах изменения токов или напряжений, поэтому коэффициент неидеальности и ток насыщения принимают на этих интервалах разные значения. В области малых токов преобладает вклад рекомбинации и утечек (при этом ). В области средних токов доминируют инжекционные токи и токи утечки, поэтому коэффициент неидеальности равен . В области больших токов, где начинает сказываться падение напряжения на последовательном сопротивлении базы, коэффициент неидеальности сначала возрастает до значений , а затем зависимость вообще меняется с экспоненциальной на степенную .» - Теория свойств диодов взята из Методических указаний к выполнению лабораторной работы №1 по курсу «Твердотельная электроника» «Сравнительное изучение ВАХ полупроводникового диода и диода Шоттки», авторы Головатый Ю.П., Зайончковский В.С.

Схемы получения постоянного тока из переменного содержат полупроводниковые выпрямительные диоды.

Фотография сменной панели для монтажной платы №1 для построения вольтамперных характеристик диода представлена на рис. 1.

Эта же схема применяется и для исследования диодов Шоттки, диодов на гетероструктурах и туннельных диодов

В схеме однополупериодного выпрямления (рис. 2, а) в течение первого полупериода (полярность напряжения U₂ вторичной обмотки трансформатора Т указана без скобок) ток нагрузки I_Н проходит по цепи: вывод 1 трансформатора Т, диод VD, резистор R_Н, вывод 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения U_Rн (рис. 1, в), а на диоде VD – прямое падение напряжения U_пр (рис. 1, г). В течение следующего полупериода (полярность напряжения указана в скобках) в цепи нагрузки протекает малый обратный ток I_обр диода VD, максимальное обратное напряжение на котором будет равно будет примерно равно амплитуде вторичного напряжения U_2m.

Рис.2 Схема однополупериодного выпрямления (а) и ее временные диаграммы (б-г)

Фотография сменной панели для монтажной платы №1для построения исследования свойств одно и двухполупериодных выпрямителей представлена на рис. 3.

Так как при однополупериодном выпрямлении выходное напряжение один раз за период достигает максимального значения, то частота его пульсаций равна частоте сети. В схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (рис. 2, а), временные диаграммы которой показаны на рис. 2, б-е, в первый полупериод в точке 1 относительно точки 2 действует положительное напряжение, а в точке 3 – отрицательное. Вторичную обмотку трансформатора Т выполняют так, чтобы в точках 1 и 3 были одинаковые, но противофазные относительно точки 2 напряжения U и U . Напряжение U вызывает ток I₁, который протекает по цепи: точка 1, диод VD1, резистор R_Н, точка 2 (т.е. ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки трансформатора Т). Ток I₁ создает на резисторе R_Н падение напряжения U_Rн, полярность которого указана, а амплитуда равна амплитуде напряжения U_2m между точками 1 и 2. В течение этого полупериода диод VD2 закрыт напряжением, действующим между точками 1 и 3, максимальное значение которого равно амплитудному значению напряжения на всей вторичной обмотке трансформатора или двойной его амплитуде 2 U_2m на ее половине. При этом на проводящем ток в течение всего полупериода диоде VD1 образуется небольшое прямое падение напряжения U_пр.

Рис.4. Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (а) и ее временные диаграммы (б-е).

В следующий полупериод диод VD2 начинает проводить ток по цепи: точка 3, диод VD2, резистор R_Н, точка 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения той же полярности, что и в первый полупериод. Диод VD1 в течение второго полупериода закрыт.

Таким образом, диоды поочередно проводят ток в нагрузку.

Частота пульсаций выходного напряжения при двухполуперидном выпрямлении равна удвоенной частоте напряжения сети, так как за один период ток нагрузки достигает максимума.