Лабораторная работа № 1

Исследование полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими «п-р» переходами и с двумя или тремя выводами ..

В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.

По функциональному назначению диоды делятся на : выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ- диоды , стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.

По конструктивному исполнению диоды бывают : плоскостные и точечные.

По используемому материалу – кремниевые, германиевые, арсенидгалиевые.

Диоды служат для следующих целей:

• выпрямления переменного тока;

• стабилизации тока и напряжения;

• формирования импульсов сигналов;

• для регулирования мощностей и т.д.

1 . Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.

Они делятся на следующие виды:

• маломощные (до 0,3 А);

• средней мощности (до 10 А);

• мощные ( до тысяч ампер и более )

• низкочастотные (до 1 кГц) и высокочастотные (до 100кГц).

Диоды средней и большой мощности для отвода тепла имеют радиаторы.

Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов приведена на рис.1:

+70ºс

0ºс

+70ºс

-70ºс

1 2 3

-1

-3

-2

0ºс

-70ºс

I,_а

-20

U, В

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диодов

Вольт-амперная характеристика зависит от рабочей температуры (рис. 1). У германиевых диодов обратный ток I_обр. увеличивается в два раза при увеличении температуры на 10⁰ С.

Основные параметры выпрямительных диодов следующие:

• Средний выпрямительный ток I_ср.

• Максимальный прямой ток диода I_мак.

• Обратный ток диода I_обр. при заданной температуре.

• Среднее прямое напряжение U_пр при I_ср.

• Пороговое напряжение на диоде U_noр.

• Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}.

• Дифференциальное сопротивление r _диф. = ∆U/∆I

• Частота переменного тока f.

• Средняя рассеиваемая мощность P_g.

  б)

U

Рис. 2. Выпрямительный диод: условное обозначение (а), его ВАХ (б)

При расчете диодных схем выбранные режимы работы должны быть значительно меньше предельно-допустимых.

U_обр 0,7*U _{обр.макс} , I_ср (0,2  0,5) I _макс .

Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока широко используются диодные мосты и диодные столбики. Диодные мосты – четыре диода, включенные по схеме моста (рис. 3).

Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов, предназначенных для выпрямления высоковольтного напряжения.

~

а)

+

~

б)

─

~

~

Рис. 3. Диодный мост: условное обозначение (а), электрическая схема моста (б)

2. Импульсные диоды нашли применение в импульсных схемах промышленной электроники и автоматики. Такие диоды отличаются малым временем включения и выключения.

3 .Высокочастотные диоды используются в высокочастотных схемах. Они имеют обладают минимальными паразитными емкостями и индуктивностями

4 Стабилитроны применяются для стабилизации напряжений ..

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на «p-n» - переходе при электрическом пробое. Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на (рис. 4)

I_CT.мин

А

а)

1 2 3

∆I

∆U

Uа,В

I_CT

Iа,А

─Uа,В

I_CT.мак

б)

К

Uст

Рис. 4. Условное обозначение стабилизатора (а) и его ВАХ (б)

Основными параметрами стабилитрона являются:

• напряжение стабилизации U_ст,

• минимальный ток стабилизации I_ст.мин,

• максимальный ток стабилизации I_ст.мак,

• дифференциальное сопротивление r_диф= ∆U/∆I,

• температурный коэффициент напряжения стабилизации,

• мощность рассеивания и др.

Стабилитроны могут быть одноанодные и двуханодные. Последние обеспечивают стабилизацию двуполярных напряжений и представляют собой два встречно включенных одноанодных стабилитронов (рис.5).

а) б)

А

I

К

+Uст

U

−Uст

Рис. 5. Условное обозначение двуханодного стабилитрона (а) и его ВАХ (б)

Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со стабилитроном включается диод. Такие стабилитроны относятся к прецизионным.

Стабилитроны делятся на маломощные, средней мощности и мощные. Используются для стабилизации напряжения, а также в импульсных схемах и преобразователях .

5 Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличие от последних, в них используется прямая ветвь ВАХ. Поэтому стабисторы позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35…1,9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.

На рис. 6 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения. с использованием стабилитронов и стабисторов

Rб

Iвх

Iн

Uб

Iст

Uвх

VD

Rн

Uвых

Рис. 6. Схема параметрического стабилизатора напряжения

U_вх = U_б + U_н I_вх = I_ст + I_н

6 Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис. 7 приведена вольтамперная и емкостная характеристики варикапа.

а) б) в)

А

Ia

C

К

Ua

U

Рис. 7. Условное обозначение (а), ВАХ (б), емкостная характеристика варикапа (в)

Ёмкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.

Основные параметры варикапа:

• общая емкость С_в;

• коэффициент перекрытия по емкости К=С_в.мак/С_в.мин; обычно К=(5-20);

• сопротивление потерь rп;

• добротность Q;

• температурный коэффициент емкости.

Варикапы применяются в резонансных системах, например, для частотной модуляции сигналов.

7 Динисторы представляют собой четырехслойную структуру и имеют три «p-n» - перехода (рис.8).

а) б) в)

I

III

Iа

I

Iудерж

II

Ua

Uпр

Uвкл

Рис. 8. Структура динистора (а), его условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

ВАХ динистора приведена на рис.8. При повышении анодного напряжения U_a U_вкл. возникает пробой « п-р» перехода . В открытом состоянии (III) динистор будет находиться до момента, пока по нему протекает ток I_a>I_удерж. При этом ток ограничивается сопротивлением нагрузки R_н. Выключение динистора происходит, если I_a<I_удерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов и в преобразователях.

8. Тиристоры – это многослойная структура, имеющая три вывода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 9).

а) б) в)

Iа

А

Y

А

А

Iу1>Iу2>Iу3>Iу4

К

Iпр

Iу5=0

Iудерж

Y

Y

К

Uа

К

Uпр

Uвкл

Рис. 9. Структура тиристора (а), условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

На управляющий электрод поступает управляющий ток I_упр уменьшающий напряжение U_вкл.

Если U_упр. = 0 и I_упр. = 0, то тиристор превращается в динистр. Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в различных формирователях, регуляторах тока, преобразователях.

Тиристоры делятся на не запираемые и запираемые. Последние могут переключаться из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности.

9. Симисторы имеют пятислойную структуру, три электрода (А, К, У) и симметричную ВАХ. Открывание симисторов происходит управляющим токовым сигналом.

Симисторы в отличие от тиристоров имеют возможность проводить ток в двух направлениях, поэтому на симисторы можно подавать переменное напряжение.

Симисторы, как и тиристоры, могут применяться в формирователях, коммутаторах, регуляторах тока и напряжения.

А

К

Y

Ua

Рис.10. Условное обозначение (а), ВАХ (б) симистора

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

• ток удержания тиристора I_удерж,

• напряжение в открытом состоянии,

• ток отпирания,

• время включения,

• время отключения,

• прямое напряжение,

• предельно-допустимое обратное напряжение,

• средний ток и др.

Маркировка (обозначение) диодов:

• первый элемент – буква (цифра) – материал диода Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – арсений;

• второй элемент – буква, обозначающая назначения диода: Д – диод выпрямитель, Ц – мост, В – варикап, С – стабилитрон (стабистор), Н – динистор, У – тиристор, А – СВЧ;

• третий элемент – три цифры – характеристики диода.

• Четвертый элемент – параметрический параметр