Исследование полупроводниковых диодов

Цель работы: изучить принцип работы, основные параметры и характеристики выпрямительных полупроводниковых диодов.

1.1. Краткие теоретические сведения

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n - и p -проводящий слои (рис. 1.1.). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое - дырки. Существующий между этими слоями p-n переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. Таким образом, диод блокирован.

Наличие p-n перехода обусловливает основные свойства диода: одностороннюю электропроводность, т. е. его омическое сопротивление зависит от полярности приложенного к диоду напряжения.

П

Рис. 1.1.

рипрямом приложении напряжений («+» к слою p, «—» к слою n) внешнее электрическое поле компенсирует влияние потенциального барьера p-n перехода. Потенциальный барьер уменьшается, и через диод протекает прямой ток основных носителей заряда (диод открыт). Сопротивление диода в этом режиме очень мало, поэтому для ограничения величины прямого тока последовательно с ним включают ограничительный резистор R_н (Рис. 1.2). Минимальную величину сопротивления этого резистора для постоянного тока можно определить, воспользовавшись вторым законом Кирхгофа из выражения

Е = U_пр+I_{пр.макс.}R_н.мин. (1.1)

R_н.мин.= , (1.2)

где U_пр.- падение напряжения на диоде при прямом включении;

I_{пр. макс.}- максимально допустимый прямой ток диода.

Рис. 1.2 Схема прямого включения диода.

При обратном приложении напряжения к выводам диода ( «+» к слою n, «-» к слою р) внешнее электрическое поле суммируется с потенциальным барьером р-n перехода, потенциальный барьер увеличивается и ток основных носителей заряда через р-n переход прекращается (диод заперт) (Рис.1.3). В этом режиме диод обладает очень большим сопротивлением, а через р-n переход в обратном направлении протекает небольшой обратный ток (ток утечки) I₀, обусловленный перемещением не основных носителей заряда.

VD1

+

Е

-

Рис. 1.3. Схема обратного включения диода.

Обратный ток диода слабо зависит от приложенного обратного напряжения. Однако при некотором значении U_{обр. макс.} носители заряда приобретают значительную кинетическую энергию и в р-n переходе развивается электрический пробой, который может привести к тепловому пробою перехода и отказу диода.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода приведена на рис.1.4. Обратите внимание на различие масштабов осей координат для прямой и обратной ветвей ВАХ диода. При повышении температуры прямой и обратный токи растут.

Используя ВАХ диода можно графически рассчитать ток диода I_Д, протекающий в цепи последовательно соединенных диода и R_Н (рис.1.2) и напряжения на диоде U_Д и нагрузке U_Rн. Для этого на ВАХ диода I = f(U) строят линию нагрузки MN (рис.1.4) по уравнению

(1.3)

соединяя прямой точки (приU_Д = 0) и Е (при I_Д = 0). Рабочая точка А определяет режим работы цепи при данных значениях Е и R_Н, т. е. определяет значения U_Д и I_Д (рис. 1.4.).

Выпрямительные диоды отличаются большой площадью р-n перехода, поэтому они способны пропускать значительные токи, но из-за этого их барьерная ёмкость также велика и достигает значений десятков пикофарад. По этой причине выпрямительные диоды применяют в низкочастотных цепях с частотой источника тока до десятков кГц, где не требуется быстрое восстановление их работоспособности при смене полярности приложенного напряжения.

Рис. 1.4. Графический расчет режимов работы элементов схемы (рис.1.2) по вольтамперной характеристике диода.

Универсальные и импульсные диоды – это диоды, имеющие малую ёмкость p-n перехода и потому малую длительность переходных процессов (отпирания, запирания), что позволяет использовать их для работы в импульсных и высокочастотных цепях. Уменьшение ёмкостей p-n переходов достигается за счет уменьшения их площади, что приводит к уменьшению допустимого прямого тока у таких диодов.

К основным характеристикам выпрямительных и универсальных диодов относятся:

I_{ПР. СР.} – средний прямой ток: среднее за период значение прямого тока через диод;

I_{ПР. И.} - импульсный прямой ток: наибольшее мгновенное значение прямого тока;

U_{ПР. СР.} – среднее прямое напряжение: среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем прямом токе;

U_{ОБР. max.} – максимально допустимое обратное напряжение;

I_ОБР. – постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением;

t_{ВОС. ОБР.} – время обратного восстановления: время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения;

f_max – максимально допустимая частота: наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода;

С_Д – общая ёмкость диода.