Лабораторная работа №10

Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

Примечание: в данной работе используются сведения из краткой теории №2.

Цель работы

1. Получить вольт-амперные характеристики двух выпрямительных диодов с базами на основе Si и Ge.

2. Снять вольт-амперную характеристику стабилитрона и описать его параметры.

3. Получить вольт-амперную характеристику туннельного диода и описать его параметры.

4. Измерить зависимость толщины p-n перехода варикапа от величины обратного напряжения.

2.2.1. Краткая теория

Указание: Перед подготовкой к работе необходимо прочитать полностью «Введение».

2.3.1.1. Основные типы диодов и их назначение.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами.

Различные типы полупроводниковых диодов отличаются друг от друга как по своим свойствам и назначению, так и по конструкции. Полупроводниковые диоды бывают плоские и точечные . В плоскостных диодах линейные размеры перехода, определяющие его площадь, значительно больше толщины. В точечных –линейные размеры меньше, чем характеристическая длина, определяющая физические процессы в диоде (например, толщина области пространственного заряда и др.).

Независимо от технологии изготовления диоды по назначению делятся на следующие основные группы: выпрямительные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные фотодиоды и светодиоды. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

2.3.1.2. Выпрямительные(силовые) диоды (обозначаются в схемах , стрелка указывает прямое направление тока)

Выпрямительным полупроводниковым диодом называют прибор, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n – перехода. Их действие основано на выпрямляющих свойствах p-n –перехода.

В качестве основных материалов для производства силовых используется кремний, германий и селен. Наиболее распространенными являются диоды из кремния, т.к. они хорошо работают в широком диапазоне температур и имеют низкое значение обратного тока. В то же время прямое напряжение у кремниевых диодов больше, чем у германиевых. Силовые диоды используют для питания всех видов радиоустройств, электролизных ванн, электропечей в металлургии и т.д. Они отличаются от других выпрямительных устройств высоким коэффициентом полезного действия (до 98%), широким диапазоном мощностей и длительностью службы.

2.3.1.3. Стабилитроны (обозначаются в схемах )

Стабилитроны, или, как их еще называют опорные диоды, предназначены для стабилизации напряжения питания различных радиотехнических и электронных устройств, схем автоматики, и управления счетнорешеющими машинами. Его стабилизирующее действие основано на использовании электрического пробоя на обратном участке вольт-амперной характеристики (рис.11). Электрический пробой происходит при некотором значении обратного напряжения. Ток при этом резко возрастает, а напряжение практически не меняется.

Различают электрический и тепловой пробой p-n –перехода. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным. Туннельный пробой возникает в очень узких p-n –переходах. Сильное электрическое поле создает условие для перехода валентных электронов из p-области непосредственно в зону проводимости n-области вследствие туннельного эффекта. Более подробные сведения о туннельном эффекте приводятся ниже.

Лавинный пробой является результатом ударной ионизации атомов кристалла. При достаточном обратном напряжении носители заряда, попавшие в область p-n –перехода., под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Образовавшиеся новые носители заряда в свою очередь ионизируют атомы, что приводит к лавинообразному нарастанию тока. Лавинный пробой возникает в p-n –переходах , толщина которых больше средней длины свободного пробега носителей между их очередными столкновениями с узлами кристаллической решетки.

Тепловой пробой p-n –перехода наступает в результате нарушения равновесия между выделяемым в p-n –переходе и отводимым теплом. В результате нагрева p-n –перехода его сопротивление уменьшается, выделяемая мощность растет, при этом происходит самопроизвольный лавинообразный рост температуры, что приводит к разрушению p-n - перехода.

В низковольтных стабилитронах, изготавливаемых из сильнолегированного кремния, происходит туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливаются на основе слаболегированного кремния, поэтому их действие основано на лавинном пробое. В германиевых диодах электрический пробой быстро переходит в тепловой. Тепловой пробой не используется для стабилитронов, так как при этом получается высокой надежности прибора.

Простейшая схема использования стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения изображена на рис.12.

П

Рис.12. Схема включения стабилитрона

ри увеличении входного напряжения резко уменьшается сопротивление стабилитрона, вследствие чего избыточное напряжение падает на сопротивлении гасящего резистораR₂, а напряжение на стабилитроне и на параллельно включенной нагрузке практически остается неизменным.

Основными параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение стабилизации U_ст;

2. Дифференциальное сопротивление r_cт в области пробоя

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше r_cт , тем лучше осуществляется стабилизация;

3. Максимальный и минимальный токи стабилизации;

4. Температурный коэффициент напряжения

показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.