- •Исследование параметров и характеристик диодов и стабилитронов
- •1. Краткие теоретические сведения
- •1.1. P-n-переход в состоянии равновесия
- •1.2. Прямое и обратное включение p-n-перехода
- •1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
- •1.4. Полупроводниковый диод
- •1.5. Вольтамперная характеристика диода
- •1.6. Полупроводниковый стабилитрон
- •1.7. Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона
- •1.8. Параметрический стабилизатор на стабилитроне
- •2. Самостоятельная подготовка к выполнению лабораторной работы
- •2.1. Контрольные вопросы
- •3. Порядок выполнения лабораторной работы
- •3.1. Измерение напряжения на диоде
- •3.2. Вычисление и измерение тока, протекающего через диод, при прямом и обратномвключении источника питания
- •3.3. Измерение статического сопротивления диода
- •3.4. Снятие вольтамперной характеристики диода
- •3.5. Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона
- •3.6. Исследование свойств параметрического стабилизатора
- •4. Список использованных источников
1.4. Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода. В качестве электрического перехода может использоваться электронно-дырочный переход, контакт металл-полупроводник или гетеропереход.
Область полупроводникового кристалла диода, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, – базой. Сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, часто называют катодом, а другую – анодом.
По назначению диоды делятся на:
1. выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;
2. стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющие на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока:
3. варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;
4. импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;
5. туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;
6. сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;
7. светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;
8. фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.
Система и перечень параметров, включаемые в технические описания и характеризующие свойства полупроводниковых диодов, выбираются с учетом их физико-технологических особенностей и области применения. В большинстве случаев важны сведения об их статических, динамических и предельных параметрах.
Статические параметры характеризуют поведение приборов при постоянном токе, динамические – их частотно-временные свойства, предельные параметры определяют область устойчивой и надежной работы.
1.5. Вольтамперная характеристика диода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода аналогична вольтамперной характеристике p-n-перехода и имеет две ветви – прямую и обратную.
ВАХ диода представлена на рисунке 5.
Если диод включен в прямом направлении ("+" – к области р, а "-" – к областиn), то при достижении порогового напряженияUпордиод открывается и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к областир, а "+" – к областиn) через диод протекает незначительный обратный ток, то есть фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента.
Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе.
Рисунок 5 – Условно-графическое обозначение (УГО) и вольтамперная характеристика диода при различных температурах |
Параметрами ВАХ являются: динамическое (дифференциальное) сопротивление диода переменному току и статическое сопротивление постоянному току.
Статическое сопротивление диода постоянному току в прямом и обратном направлении выражается соотношением:
, (2)
где UиIзадают конкретные точки на ВАХ диода, в которых производится вычисление сопротивления.
Динамическое сопротивление переменному току определяет изменение тока через диод с изменением напряжения вблизи выбранной рабочей точки на характеристике диода:
. (3)
Поскольку типичная ВАХ диода имеет участки с повышенной линейностью (один на прямой ветви, один – на обратной), rдвычисляется как отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока через него при заданном режиме:
. (4)
Чтобы вывести выражение для rд, удобнее принять в качестве аргумента токI, а напряжение считать его функцией и, логарифмируя уравнение (1), привести его к виду:
. (5)
Тогда:
. (6)
Отсюда следует, что с ростом прямого тока rдбыстро уменьшается, так как при прямом включении диодаI>>IS.
На линейном участке ВАХ при прямом включении диода статическое сопротивление всегда больше динамического сопротивления: Rст>rд. При обратном включении диодаRст<rд.
Таким образом, электрическое сопротивление диода в прямом направлении намного меньше, чем в обратном. Следовательно, диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.