Лабораторная работа № 1. Исследование pn-перехода

Цель работы : изучение физических принципов работы диодов; исследование статических, динамических и частотных характеристик полупроводниковых диодов; ознакомление с методами и аппаратурой для определения и проверки параметров диодов; исследование выпрямительных свойств диодов; обучение расчета рабочего режима диода.

Оборудование и программное обеспечение : лабораторный стенд с полупроводниковым диодом, мультиметр (2 шт), источник питания постоянного тока, генератор НЧ, осциллограф, программное обеспечение Electronics WorkBench (EWB) , MathCAD.

Основная литература

1. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец./ И.А.Данилов, П.М.Иванов. – 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 752 с.

2. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. – 496 с.

3. Кирьянов Д.В. MathCAD 13 . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 608с.: ил.

4. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 528с.: ил.

5. Кардашев, Г. А., Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств . - М. : Горячая линия - Телеком , 2002 . - 260 с

Теоретические сведения

Диод представляет собой простейшую pn-структуру. Преимущественно диоды применяются в выпрямительных схемах в качестве вентильных устройств, который преобразуют переменный синусоидальный ток в пульсирующий ток, который после прохождения сглаживающих фильтров приобретает характеристики постоянного тока.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода является нелинейной, причем при прямом включении сопротивление очень мало, а при обратном – очень большое. В связи с этим при подачи даже незначительного напряжения на диод в прямом включения достаточно большая вероятность выхода его из строя в результате теплового пробоя.

В практических схемах в цепь диода включается какая-либо нагрузка, например резистор (рис. 1.2) . Режим диода с нагрузкой называют рабочим режимом. Если бы диод обладал линейным сопротивлением, то расчет тока в подобной схеме не представлял бы затруднений. Но диод обладает нелинейным сопротивлением, т.е. сопротивление диода меняется в зависимости от приложенного напряжения. Поэтому цепи с диодм делают графически. Задача состоит в следующем: требуется определить ток в цепи и напряжение на диоде, если известны E, R_Н и ВАХ диода (рис.1.1).

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика диода

Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого уравнения, связывающего величины i и u . Для сопротивления Rн подобным уравнением является закон Ома:

(1.1)

Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными i и u , причем одно из уравнений (для диода) дано графически. Для решения такой системы уравнений надо построить график второго уравнения (для Rн) и найти координаты точки пересечения двух графиков.

Уравнение для сопротивления Rн называют нагрузочной пря­мой. Проще всего она строится по двум точкам на осях координат. При i =0 из уравнения (1.1) получаем:

, (1.2)

что соответствует точке А (рис.1.3), а если U=0 из уравнения (1.1)

; (1.3)

что соответствует точке Б. Через точки А и Б проводим прямую, которая является нагрузочной прямой.

Рис. 1.2 Схема включения диода с нагрузкой	Рис. 1.3 Построение линии нагрузки

Координаты точки Т дают решение поставленной задачи. Поскольку полупроводниковые приборы - диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то основным назначени­ем большинства их является выпрямление переменного тока.

Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямление переменного тока - один из основных процессов в радио­электронике. В выпрямительном устрой­стве энергия переменного тока преобра­зуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потреби­телем энергии переменного тока и гене­ратором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые дио­ды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых дио­дов применяется для выпрямления пере­менного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на Рис. 1.4, а. В ней последовательно соединены гене­ратор переменной ЭДС (e), диод Д и нагрузочный резистор , который можно включать также и в другой про­вод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Пра­вильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (Рис. 1.4, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора , т.е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой – резистор с большим сопротивлением.

Рис. 1.3. Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом	Рис. 1.4. Принцип работы простейшего выпрямителя

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС и его внутренним сопротивлением можно пренебречь. В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе падение напряжения . В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода – минус.

Графики на Рис. 1.5 наглядно иллюстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой (Рис. 1.5, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением (Рис. 1.5, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение , так как . Достаточно умножить значения тока на , чтобы получить кривую напряжения.

График на Рис. 1.5, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной ЭДС. На самом же деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе , сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае:

(1.4)

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1…2 В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение и Если , то Если бы напряжение источника (например, 200 В) полностью было приложено к диоду, это означало бы, что на резисторе нет падения напряжения. Но это возможно только при =0. Тогда ток был бы недопустимо большим, и диод вышел бы из строя.

При отрицательной полуволне под­водимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе равно нулю. Все напряжение источ­ника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обрат­ного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямлен­ное напряжение (все, что будет показа­но для него, относится и к выпрямлен­ному току). Из графика на Рис. 1.4, 6 видно, что это напряжение сильно пуль­сирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряже­ния является его постоянная составляю­щая, или среднее значение, . Для полусинусоидального импульса с макси­мальным значением напряжения среднее значение за полупериод:

. (1.5)

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь пе­риод среднее значение вдвое меньше:

. (1.6)

Приближенно считают равным 30% максимальною значения. Это приближение допустимо, так как действи­тельная форма импульсов всегда не­сколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать:

и . (1.7)

Вычитая из выпрямленного пульси­рующего напряжения его среднее значе­ние, получим переменную составляю­щую , которая имеет несинусоидаль­ную форму. Для нее пулевой осью яв­ляется прямая линия, изображающая постоянную составляющую (Рис. 1.5, а). Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинакова, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

Рис. 1.5. Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения	Рис. 1.6. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузоч­ном резисторе, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На Рис. 1.5, б изображена переменная составляющая. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применя­ются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохожде­нию переменной составляющей в нагруз­ку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а, сле­довательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет пер­вую гармонику пульсаций, то более вы­сокие гармоники подавляются еще луч­ше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то прак­тически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являющейся главным «врагом».

В простейшей схеме выпрямителя амплитуда первой гармоники пульсаций очень велика - больше полезной постоянной составляющей:

(1.8)

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейший метод сглаживания пульса­ций - применение фильтра в виде кон­денсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки (см. Рис. 1.3, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

. (1.9)

В течение некоторой части положи­тельного полупериода, когда напряже­ние на диоде прямое, через диод про­ходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Е_т. В то время, когда ток через диод не проходит, кон­денсатор разряжается через нагрузку и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждой следую­щий положительный полупериод кон­денсатор подзаряжается и его напряже­ние снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравни­тельно малое сопротивление диода про­исходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается го­раздо медленнее. Вследствие этого на­пряжение на конденсаторе и включен­ной параллельно ему нагрузке пульси­рует незначительно. Кроме того, конден­сатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряже­ния. При отсутствии конденсатора , а при наличии конденсато­ра достаточно большой емкости приближается к Е_т и может быть рав­ным (0,80 0,95) Е_т и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе к Е_{т .} Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. ), то на конденсаторе получается постоян­ное напряжение без всяких пульсаций, равное Е_т.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует Рис. 1.6, где приведены графики ЭДС источника е, тока через диод i и на­пряжения на конденсаторе , равного напряжению на нагрузке .

Процессы в выпрямителе с конден­сатором поясняет следующая аналогия. Пусть некоторому потребителю надо подавать по трубе равномерный поток газа. Но имеющийся насос накачивает газ толчками (импульсами), так как во время прямого хода поршня газ только всасывается в насос, а к потре­бителю он перегоняется лишь во время обратного хода. Работа такой системы аналогична выпрямителю без конденса­тора, причем двигатель насоса подобен источнику переменной ЭДС, а клапаны насоса выполняют роль диода. Поставим между насосом и потребителем большой резервуар и накачаем в него газ. Из резервуара газ будет подаваться потре­бителю под почти постоянным давлени­ем. Оно будет лишь незначительно пульсировать, так как насос подкачива­ет газ в резервуар и поддерживает в нем среднее давление. Резервуар подобен конденсатору. Чем больше его емкость и чем слабее поток газа, идущий к потребителю, тем меньше пульсации давления.

Напряжение на конденсаторе прило­жено плюсом к катоду, минусом к ано­ду диода. Поэтому напряжение на диоде равно разности ЭДС источника и напря­жения конденсатора:

. (1.10)

Так как значение и_с близко к Е_т, то напряжение становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает (вблизи значения Е_т). В эти небольшие промежутки времени через диод прохо­дит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. В течение осталь­ной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение - обратное, ток отсут­ствует и конденсатор разряжается на нагрузку .

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда . По­скольку напряжение конденсатора также близко к Е_т, то наибольшее обратное напряжение близко к значению . Если цепь нагрузки разомкнута (холос­той ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, наличие конденсатора удваива­ет обратное напряжение, поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдержи­вал это обратное напряжение.

Если требуется уменьшить пульса­ции, а сопротивление мало, то не­обходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульса­ций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится вклю­чать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с боль­шим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасно короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источ­ника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происходит тепловое разрушение диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от значения тока, т.е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямите­лей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными. При выпрям­лении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае по­теря напряжения около 1 В на самом диоде не имеет существенного значения. Например, если при выпрямлении напря­жения 100 В на диоде теряется 1 В, то КПД получается около 99 % (с учетом других потерь он будет, конечно, не­сколько ниже).

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными бо­лее экономичны и выделяют при работе меньше теплоты, что очень важно для других элементов, расположенных вбли­зи. Кроме того, полупроводниковые диоды имеют очень большой срок служ­бы. Но их недостатком является срав­нительно невысокое предельное обрат­ное напряжение — несколько сотен вольт, а у высоковольтных вакуумных диодов оно может составлять десятки кило­вольт.

Диоды применяют в любых выпря­мительных схемах. Если сглаживающий фильтр начинается с конденсатора боль­шой емкости, то при включении пере­менного напряжения на конденсатор проходит импульс тока, часто превы­шающий допустимое значение прямого тока диода. Для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением в единицы или десятки ом.

В диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене поляр­ности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока (Рис. 1.7). Возникают они по двум при­чинам.

Рис. 1.7. Импульсы обратного тока диода

Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость n-p-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание неосновных носителей, нако­пившихся в n- и p-областях. Эти носи­тели во время прохождения прямого тока инжектируют через переход и, не успев рекомбинировать или уйти, накап­ливаются в n- и p-областях. Практи­чески главную роль играет больший заряд, накопившийся в базовой области.

Например, если концентрация элект­ронов в n-области значительно больше, чем концентрация дырок в p-области, то n-область является эмиттером, а р-область - базой. Инжекция электронов из n-области в р-область преобладает над инжекцией дырок в обратном на­правлении. Поэтому электроны накапли­ваются главным образом в р-области. При обратном напряжении этот заряд рассасывается, т.е. электроны начинают двигаться в обратную сторону — из р-области в n-область. Возникает импульс обратного тока. Чем больше прямой ток, тем сильнее поток инжектированных носителей (электронов в данном приме­ре) и тем больше образованный ими заряд, а, следовательно, больше импульс обратного тока. Когда это скопление носителей рассосется и практически окончится заряд барьерной емкости, то останется лишь ничтожно малый обрат­ный ток, который можно не принимать во внимание.

С повышением частоты импульс об­ратного тока увеличивается. Это объ­ясняется тем, что при более высокой частоте обратное напряжение возрастает быстрее. Следовательно, большим током, т. е. быстрее, происходит заряд барьерной емкости. Иначе говоря, емкостное сопротивление с повышением частоты уменьшается и обратный ток, соответственно, увеличивается. Рассасы­вание зарядов, образованных инжектированными носителями, также происхо­дит быстрее, и от этого импульс обрат­ного тока также возрастет.

На низкой частоте импульс обрат­ного тока весьма мал и его длительность во много раз меньше полупериода. А на некоторой высокой частоте им­пульс обратного тока может иметь при­мерно такую же амплитуду, как импульс прямого тока, и длится он в течение всего полупериода. Если площадь им­пульсов прямого и обратного тока будет одинакова, то постоянная составляю­щая (среднее значение) тока станет равной нулю, т. е. выпрямление прекра­тится. Практически диоды рекоменду­ется применять для выпрямления только до такой предельной высокой частоты, при которой постоянная составляющая выпрямленного тока снижается не более чем на 30% по сравнению с ее значе­нием на низкой частоте.

При повышении температуры сопро­тивления и диодов уменьша­ются, но это обычно мало влияет на выпрямление. Дело в том, что прямой ток определяется сопротивлением нагрузки , которое обычно во много раз больше , а даже у нагретого диода еще достаточно велико по сравнению с и поэтому обратный ток остается малым по сравнению с пря­мым.

Работа диодов в низкочастотных выпрямляющих устройствах характе­ризуется несколькими параметрами. К ним относятся средние за период зна­чения прямого тока и соответ­ствующего ему падения напряжения на диоде , обратного напряжения и соответствующего ему обрат­ного тока . Ток часто назы­вают выпрямленным током, и весьма важными являются максимальные допустимые (предельные) значения обратного напряжения , прямого (или выпрямленного) тока и температуры корпуса , а также максимальная рабочая частота .

Расчетное задание

1. Для исследования характеристик выбрать из справочника модель диода, график ВАХ, выписать справочные характеристики.

2. На графике ВАХ полупроводникового диода произвести расчет рабочей точки (см. Рис 1.2…1.3).Номинал резистора составляет 330 Ом, напряжение питания 10 В.

Порядок выполнения работы

1. Перед тем, как приступить к получению опытных данных, произвести все необходимые расчеты в соответствии с расчетным заданием. Ознакомиться с методами математического моделирования (см. Приложение 2).

2. Ознакомиться с работой приборов: источников постоянного тока; комбинированного измерителя напряжения, тока и сопротивления, а также с их виртуальными моделями в ПО EWB (см. Приложение 3).

3. Получить данные для построения ВАХ в прямом и обратном включении.

Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода, выданного преподавателем. Для снятия прямой ветви ВАХ собрать схему, представленную на (pиc. 1.8).

Рис. 1.1. Схема для исследования вольтамперных характеристик в области прямых напряжений

Изменяя величину напряжения источника питания, измеряют ток через диод и прямое падение напряжения на диоде (12 точек). Данные за­нести в табл. 1.1. Сопротивление R используется в схеме для ограни­чения тока через диод. Величина тока через диод не должна превышать максимально допустимого значения определяемого по справочнику для исследуемого диода.

Рассчитайте R для вашего диода .

Таблица 1.1

Опытные данные для прямого включения

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Uпр
Iпр

Снимите обратную ветвь ВАХ (12 точек). Данные за­несите в табл. 1.2

Таблица 1.2

Опытные данные для обратного включения

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Uобр
Iобр

По данным табл. 1.1 и 1.2 построить графически ВАХ диода.

Полученные результаты сравните с табличными.

Исследовать частотные свойства диода.

Подать сигнал с генератора на вход исследуемой схемы (Рис. 1.8). Параллельно нагрузке подключить осциллограф. С помощью осциллографа наблюдать выпрямительные свойства диода. Зарисовать осциллограмму.

Рис. 1.9. Схема для исследования частотных свойств диода

Определить максимальную рабочую частоту диода. Для определения f max плавно меняйте частоту генератора, поддерживая входное напряжение постоянным. Наблюдайте, как меняется осциллограмма напряжения на нагрузке. Зафиксируйте ту частоту, при которой импульс обратного тока составит 1/3 от импульса прямого тока.

4. Полученные данные сравните со справочными данными для вашего типа диода. Сделайте выводы.

5. Сделать выводы по выполненной лабораторной работе и записать его в отчет. Подготовиться к защите лабораторной работе, ответив на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип образования и работы p-n перехода в монокристалле полупроводника.

2. Начертите энергетические диаграммы p-n перехода в состоянии равновесия и при приложении к переходу напряжения различной полярности.

3. Объясните принцип образования и работы перехода Шотки.

4. Чем объясняется различие вольтамперных характеристик реального и идеального диода?

5. Объясните влияние температуры окружающей среды на характеристики и параметры диодов.

6. В чем состоят основные отличия свойств и параметров кремниевых и германиевых выпрямительных диодов? Как объяснить эти отличия?

7. Почему мощные выпрямительные диоды обладают плохими частотными характеристиками?

8. Что такое диффузионная и барьерная емкость диода?

9. Как влияет эффект накопления и рассасывания носителей зарядов на работу диода в импульсном режиме?

10. Объясните работу туннельного диода.

11. Покажите графическое решение рабочего режима диода.

12. Почему импульсные диоды маломощные?

13. Объясните работу диода Ганна.

14. Какие конструкция диодов вы знаете?

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Оборудование и программное обеспечение.

4. Теоретические сведения.

5. Расчет исследуемой схемы, математическое моделирование в ПО MathCAD, моделирование схем в ПО EWB,.

6. Вывод .