Лабораторная работа 1

Исследование выпрямительных диодов и стабилитронов.

Назначение работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования и основных характеристик выпрямительных диодов и стабилитронов. В работе снимаются вольт-амперные характеристики диодов, по полученным характеристикам определяются параметры диодов.

Теоретические сведения

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Они являются одним из наиболее распространённых типов полупроводниковых диодов. Основное свойство выпрямительных диодов – односторонняя проводимость, наличие которой определяет эффект выпрямления.

В основе структуры выпрямительных диодов лежит несимметричный p-n переход, в котором различие в концентрации основных носителей в каждой из областей значительно (p_p>>n_n или n_n>>p_p).

pp>>nn p n + - а) б)

Рис 1.1.Структура выпрямительного диода (а), его условное графическое обозначение (б).

В сильнолегированную эмиттерную область (например, в область р на рис. 1.1) вводится больше примеси, она имеет большую концентрацию основных носителей, чем высокоомная, слаболегированная база (область n на рис. 1.1).

При подаче прямого напряжения на диод p-n переход смещается прямо и происходит преимущественная инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя диффузионный ток. При обратном напряжении в p-n переходе наблюдается экстракция неосновных носителей, которая определяет дрейфовый ток через переход. Поскольку концентрация основных в р- и n- областях носителей значительно превышает концентрацию неосновных носителей, то и величина прямого и обратного тока в выпрямительных диодах отличается на несколько порядков (рис. 1.2)

а)

б)

Рис 1.2.Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов при разных температурах окружающей среды.

Частотный диапазон использования выпрямительных диодов очень широк, и в связи с этим существует деление диодов на низкочастотные (НЧ-диоды) и высокочастотные (ВЧ-диоды)

Низкочастотные диоды предназначены для преобразования переменного тока промышленной (низкой) частоты в постоянный. Главное требование, предъявляемое к НЧ-диодам – это получение больших величин выпрямленных токов. Поэтому для создания низкочастотных диодов используются p-n переходы с большой площадью. Такие диоды изготавливаются в основном из германия и кремния методами эпитаксии, диффузии и вплавления.

Высокочастотные диоды работают на частотах в несколько десятков мегагерц и более. Они должны быть малоинерционны, чтобы не вносить искажений, то есть иметь малое время жизни неосновных носителей и небольшую барьерную ёмкость. Для обеспечения этих требований ВЧ выпрямительные диоды изготавливаются точечно – контактным способом, формирующим p-n переход малой площади, что позволяет получить небольшую барьерную ёмкость диода (обычно доли пикофарады). Кроме того, при изготовлении p-n переходов точечного ВЧ-диода наряду с введением донорной и акцепторной примесей производится диффузия золота в базу. При этом образуются дополнительные уровни в запрещённой зоне полупроводника, которые облегчают рекомбинацию носителей заряда, доводя постоянные времени накопления и рассасывания носителей до очень малых значений.

Основные параметры выпрямительных диодов.

Возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуют следующие электрические параметры:

1. U_пр – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока, обычно не превышает 1В для германиевых и 2В для кремниевых диодов. Эта величина связана с величиной контактной разности потенциалов, которая у кремния выше, чем у германия.

2. I_пр – постоянный выпрямленный ток через диод при заданном прямом напряжении. По величине выпрямленного тока диоды делятся на диоды малой мощности (I_пр<0,3А), средней (0,3<I_пр<10А) и большой (I_пр>10А) мощности. При больших I_пр в диоде вследствие падения напряжения на нём выделяется тепло. Поэтому выпрямительные диоды большой мощности отличаются от остальных типов диодов большими размерами корпуса и внешних выводов, необходимых для теплоотвода. Эти диоды называют силовыми и часто снабжают специальными радиаторами, позволяющими увеличить рассеиваемую мощность.

Iпр Uпр Iпрmax Iпр Iобр Uпр Uобр Uобрmax

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода с обозначением параметров.

3. I_обр – обратный ток, протекающий через диод при заданном обратном напряжении, обычно указывается для вполне определённой температуры, так как сильно зависит от неё. У германиевого и кремниевого диодов I_обр различаются очень сильно, что объясняется различной шириной запрещённой зоны германия и кремния.

4. R_диф – дифференциальное сопротивление диода, определяется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Как любой электронный прибор выпрямительный диод наряду с электрическими параметрами характеризуется предельно допустимыми значениями:

1. I_прmax – максимальный допустимый прямой ток, значение которого ограничивается разогревом p-n перехода.

2. U_обрmax – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (до наступления пробоя p-n перехода). Кремниевые диоды позволяют получать более высокие значения U_обрmax, так как удельное сопротивление собственного кремния (_i  10⁵ Омсм) много больше сопротивления собственного германия (_i  50 Омсм)

3. P_max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом, зависит от габаритов, массы диода и его конструкции. У наиболее мощных диодов площадь перехода доходит до 1см², а масса – до 15-20г, у маломощных диодов площадь переходов в 100 раз, а масса в 10 раз меньше.

4. f_max – предельная частота, на которой может работать диод, сохраняя свою работоспособность. При частотах, больших f_max необходимо снижать значение I_прmax, так как накопленные за время прямого полупериода носители заряда не успевают рассосаться, и при обратном полупериоде переход некоторое время остаётся прямо смещённым, то есть теряет свои выпрямительные свойства. Предельная рабочая частота выпрямительного диода напрямую связана с ещё одним важным параметром – ёмкостью диода.

5. C_д – ёмкость диода, как правило, указывается для высокочастотных выпрямительных диодов и измеряется между выводами диода при заданных напряжении и частоте. В С_д кроме барьерной С_б и диффузионной С_диф входит также и ёмкость корпуса прибора С_к. В случае, если ёмкость диода окажется достаточно велика, на высокой частоте будет сильно сказываться её влияние. Эквивалентная схема диода поясняет это (рис. 1.4). Из неё видно, что на высокой частоте ток потечёт не через r_p-n, а через С_д (x_c << r_p-n), иначе говоря, через ёмкость будет проникать переменная составляющая тока: диод потеряет свои выпрямительные свойства.

rб rp-n Cд

Рис. 1.4. Эквивалентная схема полупроводникового диода.

Ёмкость диода определяется в основном ёмкостью его p-n перехода. Чем больше площадь p-n перехода, тем больше ёмкость диода. Предельная частота с увеличением ёмкости уменьшается. Таким образом, мощные выпрямительные (силовые) диоды с большой площадью p-n перехода имеют очень ограниченный частотный диапазон. Обычная рабочая частота равна 50 Гц. Рабочие же частоты диодов малой и средней мощности, как правило, не превышают 10 – 20 кГц. Сплавные диоды используются для выпрямления тока с частотой до 5 кГц. Диффузионные диоды могут работать на частоте до 100 кГц. И только точечные высокочастотные выпрямительные диоды благодаря малой площади p-n перехода способны работать на частотах в несколько сот мегагерц.

Помимо электрических параметров в справочной литературе приводятся значения минимальной и максимальной температуры, которые характеризуют тепловые свойства диода, а также его вольт-амперные характеристики при различных температурах окружающей среды (рис 1.2).

Для диодов из германия максимальная температура T_max = 100 – 110 C, для диодов из кремния T_max = 170 – 200 С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрация основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестаёт обладать свойством односторонней проводимости.

Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде U_пр и обратный ток I_обр (рис.1.2). Поскольку контактная разность потенциалов уменьшается с ростом температуры, уменьшается и прямое напряжение на диоде. Таким образом, температурный коэффициент напряжения (ТКН) на выпрямительном диоде имеет отрицательное значение. Обратный ток зависит от температуры ещё сильнее. Это связано с усилением генерации пар носителей с ростом температуры. В германиевых диодах обратный ток удваивается при увеличении температуры на каждые 10 С, у кремниевых диодов зависимость ещё более сильная. Но так как при нормальной температуре I_обр у кремния очень мал, то при 100 – 150 С приборы, изготовленные из кремния, имеют лучшие обратные характеристики, чем диоды, изготовленные из германия. Это является их большим преимуществом.