3 Методические указания к выполнению расчетно-графических работ

3.1 Контактная разность потенциалов p-n перехода

Для выполнения этого задания необходимо проработать материал раздела 2.1 [4]. Известно, что в области p-n перехода происходит искривление энергетических диаграмм и на границе слоёв возникает потенциальный барьер, называемый контактной разностью потенциалов _к = Е/q.

Изменение напряженности электрического поля Е можно определить, например, для электронов по смещению дна зоны проводимости на энергетической диаграмме, q – заряд электрона.

Потенциальный барьер

_к = Е/q = (Е_cp – E_cn)/q =  (кТ/q) ln[(N_aN_д)/n_i²],                                     (3.1)

 – кТ/q=_T – температурный потенциал;

заряд электрона q= Кл.;

постоянная Больцмана k = Дж/К;

N_a­ – концентрация акцепторной примеси;

N_д – концентрация донорной примеси;

n_i – собственная концентрация носителей в полупроводнике.

 

Например, найти контактную разность потенциалов  для р-n перехода при заданной температуре Т = 300 K и собственной концентрации носителей в полупроводнике − n_i =  атом/см ³. Концентрация акцепторной примеси N_a = атом/см³ и концентрация донорной примеси N_д = атом/см ³.

Подставляем заданные значения в (3.1)

и, получаем

3.2 Характеристические сопротивления диода

Для выполнения этого задания необходимо проработать материал раздела 2.5.1 [4].

 Например, определить сопротивление полупроводникового диода постоянному току R₀ и его дифференциальное сопротивление r_диф при прямом напряжении U_пр= 0,2В.

Обратный ток диода при Т=300 К равен I₀ = 2 мкА.

 Сопротивление по постоянному току

R₀ = U/I = _T ln(I/I₀+1)/I = (_T / I) ln(I/I₀+1).

Найдем ток диода при прямом напряжении U=0,2 B по формуле

.

Тогда сопротивление диода постоянному току

Ом.

Определим дифференциальное сопротивление r_диф

См;   Ом.

Так как I>>I₀ , то можно использовать , следовательно,

Ом.

 3.3 Последовательное соединение выпрямительных диодов

Для выполнения этого задания необходимо проработать материал раздела 4.2 [4].

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

 

 

 

 

 

 

 а) если U_обр.>U_{обр.доп.}, то используется последовательное соединение диодов (см. рисунок 3.1,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунти­ровать резисторами R_ш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. Обычно выбирается R_ш=(0,10,2)R_{обр ­}.

Например, рассчитать простейшую схему выпрямителя без сглаживающего фильтра для выпрямления синусоидального напряжения с действующим напряжением      U =700 В, используя диоды с максимально допустимым обратным напряжением U_{обр.мах}= 300 В при максимальной рабочей температуре.

Определим амплитудное значение синусоидального напряжения U_m= U = 700 = 1000В. Это напряжение будет обратным. Так как максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.мах}= 300 В, то  для выпрямления необходимо применить цепочку последовательно соединенных диодов. Но из-за возможных больших разбросов обратных сопротивлений диодов их необходимо шунтировать резисторами для равномерного распределения обратных напряжений. Необходимое число диодов n определим по формуле

,

 где - коэффициент нагрузки по напряжению (может принимать значения  от 0,5 до 0,8). Примем =0,7. Тогда

.

Возьмем n=5.

Значения сопротивлений шунтирующих резисторов определим по формуле

,

где коэффициент 1,1 учитывает 10%-ный разброс сопротивлений применяемых резисторов. Допустим обратный ток при максимально допустимой температуре = 300 мкА. Подставив значения величин, получим

.

Возьмем =300 кОм.

Нарисуйте схему выпрямителя.