Содержание отчета

1. Схема исследования частотных характеристик. Таблицы с результатом измерений и расчетов. Принципиальная электрическая схема трансформатора. Построить графические зависимости. Вывода.

Лабораторная работа №2 Статические характеристики полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство этого перехода. Выводы присоединяются (привариваются или припаиваются) к разноименным областям электрического перехода и полученная конструкция заключается в металлический, стеклянный, пластмассовый или металлокерамический корпус. Ту сторону диода, к которой при прямом включении присоединяется положительный полюс источника питания, называют анодом, а другую сторону, соединяемую, соответственно, с отрицательным полюсом, – катодом.

В зависимости от функционального назначенияразличают: выпрямительные диоды; лавинные диоды; выпрямительные столбы; выпрямительные блоки и сборки; универсальные и импульсные диоды; диоды с накоплением заряда; диодные матрицы и сборки; стабилитроны; стабисторы; ограничители напряжения; генераторы шума; варикапы; варакторы; обращённые диоды; свч-диоды; и другие. В зависимости отплощеди перехода (линейные размеры размеры p-n-перехода значительно превосходят толщину самого перехода) – плоскостные и точечные. В зависимости отполупроводникового материала– германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и др. В зависимости отпринципа действия– лавинно-пролетный; туннельные, диод Шотки, излучающий (светодиоды видимого и инфрокрасного диапазона), диод Ганна, фотодиоды.

Система обозначения диодов стандартизована. Маркировка полупроводниковых диодов в виде буквенно-цифрового кода или цветового штрихкода несет информацию о назначении диода, его основных электрических параметрах, типе исходного полупроводникового материала, конструктивно-технологических особенностях и т.п. Стандартизовано и условное графическое изображение диодов на электрических схемах (рис. 2).

Рис. 2. Условное обозначение диодов: выпрямительные диоды (а), стабилитроны (б), стабилитроны двусторонние (в), ограничители напряжения (г), ограничители напряжения двусторонние (д), туннельные диоды (е), обращенные диоды (ж), диоды Шоттки (з), варикапы (и), варикапные сборки с общим выводом катодов (к), светодиоды (л), фотодиоды (м)

Вольтамперная характеристика (ВАХ) р-п перехода представляет собой зависимость тока черезр-п переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитически ВАХ представляется экспоненциальной зависимостью

(1)

где I₀– обратный ток коллектора, A, для кремневых устройствI₀= 10^–11 … 10^–6;_t– температурный коэффициент обратного тока;U– напряжение приложенное кр-п переходу;_t= 0,09...0,05 град^–1для германиевых транзисторов (диодов) и_t= 0,13...0,07 град^–1для кремниевых транзисторов (диодов);T₀= 293 K комнатная температура;T– абсолютная температура;m– поправочный коэффициент (m= 12); φ_t– термический потенциал, выражающийся в виде φ_t=kT/e, гдеk = 1,3810^–23– постоянная Больцмана;e = 1,610^–19– заряд электрона.

Семейство вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диодов (рис. 1), иллюстрирует формулу (1) и дает наглядное представление об основных статических параметрах диодов и влиянии на них температуры. Видно, что обратный ток диодов заметно увеличивается сростом температуры. Однако, если для германиевых диодов такое увеличение может привести к соизмеримости прямых и обратных токов и снизить качество выпрямления переменного напряжения, то для кремниевых диодов вследствие малости обратных токов с их ростом, вообще говоря, можно не считаться. Для приближенной оценки зависимости обратного тока от температуры можно считать, что с увеличением температуры обратный ток германиевых диодов удваивается на каждые 10 °С, у кремниевых диодов это увеличение несколько выше – в 2,5 раза.

Рис. 9.8. Модели диода: а – управ­ляемый напряжением U_АК переключатель; б – уточненная по ВАХ диода при I₀  0 и U_AC  0

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики германиевых (а) и кремниевых (б) выпрямительных диодов при различных температурах

Модель диода как идеального ключа рис. 8, а, достаточна для анализа работы некоторых устройств, например выпрямителей, но не учитываетI₀, падения напряжения и наклон ВАХ при прямом смещении, динамических свойств диода. Более точной аппроксимации ВАХ диода соответствует модель на рис. 8, б, в которой ключ показан дляU_AC> 0,7 В (при прямом смещении). ПриU_AC0,7 В ключ переводится в нижнее положение.R_revсимволизирует высокое сопротивление обратносмещенного перехода (R_rev= 10⁵10⁹Ом);L– индуктивность выводов диода;С_dif– диффузионная емкость, обусловленная накоплением зарядов в объеме диода и проявляющаяся при прямом смещении;R_dif– дифференциальное сопротивление прямосмещенного диода.R_dif=dU_AC/dIи может быть найдено из

R_dif = mφ_t/I. (9.2)

Для учета влияния роста температуры на обратный ток, принято считать для кремневых диодов, что Е снижается и на 2,1 мВ на ⁰С.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в однополярный. Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

К основным статическим параметрамотносятся: прямое падение напряженияU_Fпри заданном прямом токеI_F; постоянный обратный токI_Rпри заданном обратном напряженииU_R.

К основным динамическим параметрамотносятся:I_F(AV)– среднее за период значение выпрямленного тока;U_F(AV)– среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;I_R(AV)– среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения;U_R(AV)– среднее за период значение обратного напряженияf_T– граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня.

К параметрам электрического режима относятся: r_T– дифференциальное сопротивление диода;C_D– ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы. К параметрам эксплуатационных режимов относятся:I_T(AV) и I_FRMS– максимальное значение импульсного и среднего значения выпрямленного тока;U_RRM– максимальное значение допустимого обратного напряжения;P_RSM– максимальная допустимая мощность;t_mиt_M– минимальная и максимальная температура окружающей среды для работы диода

Выпрямительные диоды делятся на: силовые (низкочастотные) для использования в выпрямителях =50 кГц (малой мощности –I_FRMS< 300мА; средней мощности – 300 мА <I_FRMS< 10 А; большой мощности –I_FRMS> 10А); маломощные (высокочастотные) для применения в разного рода детекторахf_T= 10100 МГц.

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов (нормируется напряжение лавинного пробоя). Может использоваться в цепях защиты от перенапряжения.

Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях.

Вольтфарадная характеристика (а) и одна из схем включения (б) варикапа

Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста. Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров.

Диоды с накоплением заряда – разновидность импульсных диодов, малое время обратного восстановления. Это достигается неравномерным легированием базы.

Диодные матрицы и сборки – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды (диоды соединяются в виде микросхем). Могут быть соединены между собой или изолированы.

Рис. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов, барьерная ёмкость которого перестраивается с изменением напряжения на нём. Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты (силовой варикап). Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности. На рис.2.14 представлена вольтфарадная характеристика и одна из схем включения варикапа. При изменении напряжения смещения, подаваемого на варикап с помощью резистора R1, изменяется емкость диода. Изменение емкости варикапа приводит к изменению частоты колебательного контура. Для исключения шунтирования колебательного контура при изменении емкости диода включается резистор R2, сопротивление которого больше резонансного сопротивления контура.

Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах.

Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн (= 1÷10 см). Туннельные диоды относятся к негатронам (имеют участок с отрицательным сопротивлением) n-типа.

К числу основных характеристик туннельных диодов относятся: напряжение и ток пика U_P и I_P, напряжение и ток впадины U_T и I_T, отноше­ние I_P / I_T, напряжение раствора U_B вольт-амперной характеристики, а также некоторые другие параметры, характеризующие ВАХ туннельного диода и его импульсные свойства. Смысл этих характеристик проявляет­ся видом ВАХ туннельного диода (рис. 2.14), на прямой ветви которой имеются две точки – пик и впадина, в которых дифференциальная проводимость dI_nJdU равна нулю.

Рис. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении. Достоинства: Отсутствует диффузионная ёмкость; Работают до частоты 50ГГц, Используется при построении смесителей

СВЧ-диоды предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн. В зависимости от выполняемой функции делятся на: Смесительные; Детекторные; Параметрические; Ограничительные; переключателиные; Умножительные и настроечные; Генераторные (Лавинно-пролётные диоды и Диоды Ганна). Предназначены для встраивания в волноводы.