Наименование блоков стенда
Блок 1А. Полупроводниковые диоды и их температурные свойства
Исследуемые приборы – кремниевый выпрямительный диод 1N4001, германиевый выпрямительный диод Д7Ж, выпрямительный диод с барьером Шоттки 1N5819.
Блок 1В. Полупроводниковые стабилитроны и их температурные свойства
Исследуемые приборы – кремниевые стабилитроны серии 1N47 и BZX55C, отличающиеся напряжением пробоя и дифференциальным сопротивлением.
Блок 2А. Биполярный транзистор в схеме с общей базой
Исследуемый прибор – германиевый n–p–n-транзистор МП41А.
Блок 2В. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
Исследуемые приборы – германиевый n–p–n-транзистор МП37А и кремниевый n–p–n-транзистор КТ3102.
Блок 3А. Полевой транзистор в схеме с общим истоком
Исследуемый прибор – кремниевый полевой транзистор с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа КП350.
Лабораторная работа № 1
Полупроводниковые диоды
Цели работы:
1. Ознакомиться с лабораторным стендом.
2. Ознакомиться с реальными статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ) и параметрами германиевого, кремниевого диодов и диода с барьером Шоттки при различных температурах.
3. Выявить основные различия между ними.
1. Краткие теоретические сведения
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами. Под выпрямляющим переходом понимают область контакта двух материалов, существенно меняющую свою проводимость при смене полярности приложенного напряжения. В качестве выпрямляющего электрического перехода могут быть электронно-дырочный переход (контакт полупроводников n- и p-типов), гетеропереход (контакт полупроводников одного типа) или контакт металл–полупроводник.
Диод с электронно-дырочным переходом (рис. 1.1, а) кроме выпрямляющего электрического перехода (В) имеет два невыпрямляющих перехода (Н), через которые p- и n-области диода соединяются с выводами.
а б
Рис. 1.1. Устройство полупроводникового диода:
а – с электронно-дырочным переходом; б – с выпрямляющим
контактом металл–полупроводник; В – выпрямляющие контакты;
Н – невыпрямляющие контакты
Диод с выпрямляющим электрическим переходом в виде контак- та металл – полупроводник имеет всего один невыпрямляющий переход (рис. 1.1, б).
В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего перехода различают плоскостные и точечные диоды. Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше толщины, точечным – диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины, определяющей физические процессы в переходе и в окружающих его областях.
Выпрямляющий переход обладает следующими свойствами: нелинейностью вольт-амперной характеристики; явлением ударной иониза-
ции; туннелированием носителей сквозь потенциальный барьер; барьерной емкостью. Эти свойства выпрямляющего перехода используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных диодов, смесителей, умножителей, модуляторов, стабилитронов, стабисторов, туннельных и обращенных диодов, варикапов.
Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. В качестве выпрямительных диодов чаще всего используют плоскостные германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды, допускающие благодаря значительной площади p–n-перехода большой выпрямленный ток. И те и другие рассчитаны на прямые токи от десятых долей ампера до десятков ампер. Основное различие заключается в прямом падении напряжения, которое для германиевых диодов не более 0,5 В, а у кремниевых доходит до 1,5 В.
Вольт-амперная характеристика диода – зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения. Примерный вид ВАХ изображен на рис. 1.2.
Прямосмещенный переход (Uпр и Iпр), обладает высокой проводимостью. Соответствующую этому ветвь ВАХ называется прямой. Обратносмещенный переход (Uобр и Iобр) имеет кране низкую проводимостью, а ветвь ВАХ называется обратной.
Чем выше температура диода, тем при одном и том же приложенном напряжении через него протекает больший ток. Это происходит из-за возрастания концентрации свободных носителей заряда (p, n) в полупроводнике при его нагревании. Причем, так как при комнатной температуре большинство атомов примеси уже ионизировано, их концентрация растет в основном за счет увеличения собственной проводимости полупроводника.
Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика диода
при различных температурах
Пробой германиевых выпрямительных диодов имеет тепловой характер, поэтому пробивное напряжение уменьшается с повышением температуры.
Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...85 С. Существенный недостаток германиевых диодов – их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.
Кремниевые плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от десятых долей ампера до десятков ампер при падении напряжения до 1,5 В. С увеличением температуры прямое падение напряжения на них уменьшается. Верхний предел диапазона рабочих температур кремниевых диодов достигает 125 С. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.