ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

Технологическая академия

ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Лабораторная работа №12 Исследование полупроводниковых диодов

Пенза 2006 г.

УДК 621.3.024

Рецензенты:

Исследование полупроводниковых диодов. Учебно-методическая разработка/ Бочкарёв В.С.. Вдовина Л.М., Дёмин С.Б. Шадрин М.П. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. академии, 2006.- 13 с.

В лабораторной работе исследуются выпрямительный диод и стабилитрон.

Методические указания составлены на кафедре «Электроника и электротехника» института промышленных технологий Пензенской государственной технологической академии и предназначены для студентов специальностей 1200, 2200, 2100, 3300, 1706, 0305.

Составители: Бочкарёв В.С.. Вдовина Л.М., Дёмин С.Б. Шадрин М.П.

Лабораторная работа 12 исследование полупроводниковых диодов

Цель работы: Овладение методикой экспериментального исследования и приобретение опыта практических испытаний полупроводникового выпрямительного диода и полупроводникового стабилитрона (далее просто диода и стабилитрона).

Общие сведения

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, обладающий выпрямительным (или вентильным) свойством и содержащий один р-n-переход и 2 вывода - анод и катод. Реальный диод имеет кроме двух рабочих полупроводниковых слоев два вспомогательных (нейтральных) слоя, а также 2 омических контакта, с помощью которых осуществляется ввод-вывод носителей заряда. Работу полупроводникового прибора принято характеризовать вольтамперной характеристикой (ВАХ) - зависимостью между протекающим по нему током и приложенным к его выводам напряжением.

На рис.1 приведены ВАХ германиевого и кремниевого диода при различной температуре в области малых напряжений. Свойства диода определяются свойствами р-n-перехода, но ВАХ диодов отличаются от ВАХ перехода наличием более существенной зоны нечувствительности в области прямого включения, называемой “порогом” Uпор, и более значительным смещением прямой ветви ВАХ от оси тока. При обратном включении через диод протекает обратный ток I_обр. Величина Uпор у германиевого диода составляет 0,2...0,3 В, а у кремниевого - 0,6...0,7 В. При увеличении температуры Т обратные и прямые токи возрастают, а при понижении ее - уменьшаются. Значения I_обр на 2-3 порядка меньше значений I_пр, поэтому масштабы изображения этих токов на графике различны. Отклонения ВАХ диода от ВАХ перехода объясняются влиянием объемного сопротивления базовой области - r_Б, которое может быть выражено следующим уравнением:

.

Диод является нелинейным элементом, поэтому он должен характеризоваться дифференциальным сопротивлением r_д.диф.=dU¤dI. На рис.2 изображен упрощенный (аппроксимированный) график прямой ветви ВАХ диода. Аналитически его можно описать следующим соотношением:

при U_пр>U_пор

, при U_пр<U_пор,

где - сопротивление открытого диода постоянному току, значение которого находится отношением U_пр к I_пр. Угол наклона аппроксимированной прямой к оси U определяется проводимостью диода, т.е. .

Рис.1. Графики вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диодов при различной температуре.

Рис.2. График упрощенной ВАХ диодов

В схемах диод обозначаются в виде стрелки, направление которой совпадает с направлением протекания прямого тока. Анодом диода называют электрод, соединенный с полупроводником р-типа, а катодом - электрод, соединенный с полупроводником n-типа. К выпрямительным диодам относят диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий однополярный), к быстродействию, емкости перехода и стабильности параметров которых не предъявляют особых требований.

Германиевые выпрямительные диоды применяют при Т=233-358 К (-40...+85 град.С), а кремниевые и арсенид-галлиевые диоды - при Т=213-423 К(-60...+150 град.С).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

максимально допустимое обратное напряжение - U_обр.max (определяется выражением U_обр.max=0,8U_проб, где U_проб. - напряжение пробоя перехода);

средний выпрямленный ток - I_пр.ср. (среднее за период значение прямого тока в однополупериодной схеме выпрямителя);

• импульсный прямой ток - I_пр.и;

среднее прямое напряжение при заданном среднем значении прямого тока - U_пр.ср. при I_пр.ср.=const;

средняя рассеиваемая мощность - Р_д.ср. (максимально допустимая рассеиваемая мощность определяется выражением: Р_max= , где Т_п.max - максимально допустимая температура перехода,

T- температура окружающей среды, R_т.пк - тепловое сопротивление между переходом и корпусом диода, R_т.ко - тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой;

 дифференциальное сопротивление диода r_Д.ДИФ находится по формуле: _{,где φТ=0,026 В.}

Диапазон рабочих частот выпрямительных диодов составляет

50 Гц...500 кГц.

Выпрямительные диоды подбирают по U_обр.max и по I_пр.ср.. В случае, если требуется получить большее значение U_обр, диоды соединяют последовательно. Если требуется обеспечить большее значение I_пр.ср., чем позволяют имеющиеся диоды, то необходимо эти диоды соединить параллельно. Мощные диоды устанавливают на радиаторы, чтобы не допустить их теплового пробоя.