Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Полупроводниковые приборы. Лабораторный практикум
.pdf
(детектирования) резко снижается. Для уменьшения площади
p-n перехода, а следовательно, и его емкости используют точечную конструкцию диода. Барьерная емкость точечных диодов не
превышает 1пФ, а рабочая частота составляет 150 МГц и более.
Емкость диода слагается из емкости корпуса Ск и емкости
p-n перехода Сп:
С
= Ск + Сп,
д
где С
= С
п
диф
+ С
– емкость p-n перехода.
зар
Уменьшение емкости корпуса Ск достигается применением
корпусов специальной конструкции. C этой же целью высокочастотные диоды часто выполняются вообще без корпуса,
в этом случае они используются как составная часть гибридной
интегральной схемы или модуля, который размещается в герметичном корпусе.
Прямая ветвь ВАХ точечного диода практически не отличается от реальной ВАХ p-n-перехода, а обратная ветвь не имеет
ярко выраженного участка насыщения, что объясняется процессами генерации носителей заряда в неоднородном поле точечного контакта, вызванной лавинным умножением.
Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных и цифровых устройствах. Обозначаются так же, как и выпрямительные, имеют малую длительность переходных процессов. От выпрямительных диодов отличаются малыми емкостями
p-n перехода (доли пикофарад) и характеризуются рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.
Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади
p-n перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них
невелики.
При воздействии на диод коротких по времени прямоугольных импульсов напряжения или тока форма тока через диод или
напряжения на нем будет отличаться от прямоугольной, что
обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания носителей в базе и перезарядом его барьерной емкости.
При малых уровнях напряжения и тока длительность переходных процессов определяется барьерной емкостью, а при больших – диффузионной.
21
На рисунке 1.7 показаны переходные процессы в диоде при
высоких уровнях напряжения и тока. При подаче на диод прямого
напряжения ток устанавливается не сразу, так как с течением
времени происходит накопление инжектированных неосновных
носителей в базе и снижение ее сопротивления. Передний фронт
импульса тока получается искаженным (см. рис. 1.7, а). Однако
данный процесс оказывается гораздо короче, чем процессы при
переключении диода с прямого напряжения на обратное, которые характеризуются временем обратного восстановления t
вос
.
При этом первоначально резко увеличивается величина обратного тока до I
вследствие интенсивного рассасывания не-
обр m
равновесных носителей базы с последующим его экспоненциальным уменьшением до стационарного значения, равного обратному току насыщения I
. При пропускании импульса прямо-
0
го тока через диод в первый момент времени наблюдается выброс напряжения (см. рис.1.7, б), что вызвано повышенным падением напряжения, пока инжектированные носители, накопившись в базе, не понизят ее сопротивление. Этот процесс
описывается параметром диода, который называется время ус-
тановления прямого напряжение t
го тока на диоде остается некоторое напряжение U
. После выключения прямо-
уст
, величина
ост
которого зависит от количества инжектированных носителей.
Остаточное напряжение уменьшается по мере рекомбинации
носителей.
Импульсные диоды характеризуются рядом специальных
параметров:
общая емкость диода СД (десятые доли – единицы пико-
фарад);
максимальное импульсное прямое напряжение U
максимально допустимый импульсный ток I
время установления прямого напряжения t
пр mах
– интервал
уст
обр mах
;
;
времени между началом протекания прямого тока через диод
и моментом, когда прямое напряжение на диоде достигает установившегося значения (доли наносекунд – доли микросекунд).
22
а б
Рис. 1.7. Переходные процессы в импульсном диоде
IV. Порядок выполнения работы
Ознакомьтесь со схемой лабораторного стенда, с размещением органов управления и мультиметром.
Подключите стенд к сети 220 В/50 Гц;
Установите ручки потенциометров на лицевой панели стенда в крайнее левое положение.
Включите клавишу «СЕТЬ». О готовности стенда к работе
свидетельствует свечение светодиодов на лицевой панели стенда и появление информации на ЖКД.
1. Исследование прямой ветви ВАХ полупроводникового
диода
1.1. Нажатием кнопки «Тип прибора» подключите к изме-
рительной схеме исследуемый полупроводниковый диод (Позиция 1).
1.2. Включите опорное напряжение Еоп= +12 В и, изменяя
напряжение на диоде Е3 , начиная с минимального, снимите зависимость прямого тока I3 = f (E3). Результаты измерений занесите в таблицу 1.1.
23
Е
3
, В
I3, мА
Е
3
, В
I3, мкА
2. Исследование обратной ветви ВАХ полупроводникового
диода
Таблица 1.1
Включите опорное напряжение Е
пряжение Е
, снимите зависимость от него обратного тока диода
3
= –12 В и, изменяя на-
оп
I3 = f (E3). Результаты измерений занесите в таблицу 1.2.
Таблица 1.2
Пределы измерения напряжений и токов для снятия прямой
и обратной ветвей вольтамперной характеристики следует выбирать с учетом паспортных данных диода.
Для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики необходимо учесть, что, во-первых, напряжение на
диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше, чем при
обратном включении.
Работа считается выполненной после просмотра и утверждения полученных результатов преподавателем.
По окончании работы клавишей «СЕТЬ» отключите питание стенда.
V. Обработка результатов измерений
1. По данным таблиц 1.1 и 1.2 постройте статическую
вольтамперную характеристику диода I3 = f (E3).
2. Рассчитайте сопротивление диода постоянному току при
его прямом и обратном включении.
3. Рассчитайте дифференциальное сопротивление диода
в прямом включении (сопротивление переменному току) в трех
24
точках экспериментально измеренной ВАХ (на начальном участке, в середине и в окрестности максимального тока).
4. Рассчитайте коэффициент выпрямления для прямого
и обратного напряжений |U| = 0,7 B, который равен отношению
обратного сопротивления диода к прямому при равенстве модулей прямого и обратного напряжений.
5. Приведите основные параметры исследуемого диода
КД521.
6. Сделайте выводы по работе.
VI. Контрольные вопросы
1. Что такое собственный полупроводник? Поясните меха-
низмы создания дырочной и электронной составляющих тока
в нем.
2. Что называется p-n переходом? Какие процессы проис-
ходят в p-n переходе, находящемся в состоянии термодинамического равновесия?
3. Что такое прямое напряжение и как изменяется величина
потенциального барьера в результате его воздействия?
4. Поясните влияние обратного напряжения на величину
потенциального барьера.
5. Какова зависимость ширины p-n перехода от полярности
и величины приложенного напряжения?
6. Поясните структуру токов в p-n переходе?
7. Что называется вольтамперной характеристикой p-n пе-
рехода? Нарисуйте ВАХ идеализированного p-n перехода.
8. Охарактеризуйте виды пробоя p-n перехода.
9. Как влияет температура полупроводника на ВАХ p-n пе-
рехода?
10. Объясните принцип работы полупроводникового диода.
11. Поясните технологию изготовления полупроводнико-
вых диодов.
12. Чем можно объяснить различия ВАХ идеализированно-
го p-n перехода и реального диодов?
25
13. Чем различаются ВАХ германиевого и кремниевого
диодов и почему?
14. Какие типы полупроводниковых диодов Вы знаете?
Приведите их условные обозначения.
15. Какими параметрами характеризуются выпрямительные
диоды?
16. Поясните смысл терминов «статическое сопротивление
диода» и «дифференциальное сопротивление диода». Как можно
найти указанные величины по результатам измерений.
17. Начертите схему для исследования прямой ветви вольт-
амперной характеристики полупроводникового диода.
18. Приведите примеры маркировки полупроводниковых
диодов.
26
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
СТАБИЛИТРОНА
I. Цель работы
1. Изучить устройство, принцип действия, систему обозна-
чений, параметры и характеристики полупроводниковых стабилитронов, их применение.
2. Экспериментально исследовать вольтамперную характе-
ристику (ВАХ) полупроводникового стабилитрона и рассчитать
по полученной характеристике его основные параметры.
II. Подготовка к работе
1. Прочитать по теме материал, изложенный на лекциях
и в рекомендованной для самостоятельной работы литературе.
2. По настоящему руководству изучить описание лабора-
торной работы.
3. Оформить заготовку отчета по лабораторной работе. Изо-
бразить схему цепи для проведения исследований, заготовить
таблицы.
4. Ответить на контрольные вопросы.
III. Теоретический материал для подготовки
и выполнения лабораторной работы
Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый
диод, напряжение на котором в области электрического пробоя
слабо зависит от тока и который используется для стабилизации
напряжения.
В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое.
Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n
27
переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.
Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона
изображена на рисунке 2.1. Так как напряжение пробоя U
прб
зависит от удельного сопротивления полупроводниковых областей кристалла, то, применяя кристаллы с различной концентрацией примесей, можно изготовить стабилитроны с различным
U
. При большой концентрации примесей N 1017 см-3
прб
образуются тонкие переходы с U
6В, причем преобладает
прб
туннельный пробой. При средней концентрации примеси
(N 1016 см-3) U
= 5...7 В и наряду с туннельным развивается
прб
лавинный пробой. При низкой концентрации примесей
N 1015 см-3 образуются относительно широкие переходы,
в которых способен развиться лишь лавинный пробой с U
7В.
прб
Рис. 2.1. Условное графическое изображение
и вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона
28
Основные параметры стабилитронов:
напряжение стабилизации Uст (Uст = 1…1000 В);
минимальный I
зации (I
ст mіn
1,0…10 мА, I
максимально допустимая рассеиваемая мощность Р
и максимальный I
ст mіn
ст mах
ст mах
0,05…2,0 А);
токи стабили-
;
mах
дифференциальное сопротивление на участке стабили-
зации Ri = ∆Uст/∆Iст,
температурный коэффициент напряжения на участке ста-
билизации: TKН стабилитрона показывает на сколько процентов
изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1°С.
Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от темпе-
ратуры. Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при Ucт > 5 B и уменьшает его при
U
< 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилиза-
cт
ции больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при Ucт < 5 В – отрицательный.
Стабилизацию низковольтного напряжения в пределах
0,3…1 В можно получить при использовании прямой ветви ВАХ
кремниевых диодов. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабистором.
Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение
равно сумме напряжений стабилитронов.
IV. Порядок выполнения работы
Подключите стенд к сети 220 В/50 Гц.
Установите ручки потенциометров на лицевой панели стен-
да в крайнее левое положение.
Включите клавишу «СЕТЬ. О готовности стенда к работе
свидетельствует свечение светодиодов на лицевой панели стенда и появление информации на ЖКД.
29
1. Исследование обратной ветви ВАХ полупроводникового
Е
3
, В
I, мА
Е
3
, В
I, мкА
стабилитрона
1.1. Нажатием кнопки «Тип прибора» подключите к изме-
рительной схеме исследуемый полупроводниковый стабилитрон.
1.2. Включите опорное напряжение Еоп = –12 В и, изменяя
напряжение Е
I
= I3 = f (E3). Результаты измерений занесите в таблицу 2.1.
обр
, снимите зависимость обратного тока диода
3
Таблица 2.1
2. Исследование прямой ветви ВАХ полупроводникового
стабилитрона (стабистора).
Включите опорное напряжение Еоп= +12 В и, изменяя на-
пряжение на диоде Е3, начиная с минимального, снимите зависимость прямого тока I3 = f (E3). Результаты измерений занеси-
те в таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Пределы измерения напряжений и токов для снятия прямой
и обратной ветвей вольтамперной характеристики следует выбирать с учетом паспортных данных стабилитрона.
Для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной харак-
теристики необходимо учесть, что, во-первых, напряжение на
диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше, чем при
обратном включении.
Работа считается выполненной после просмотра и утвер-
ждения полученных результатов преподавателем.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]