Вольтамперная характеристика р–п перехода.
Это зависимость тока проходящего через рп переход от приложенного к нему напряжению:
I = ¦(U) ( рис.7.)
:
Рис. 7. Вольтампермерная характеристика диода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) - это зависимость электрического тока, протекающего через диод от напряжения, приложенного к диоду. Прямой ток резко растет при небольших положительных напряжениях (UnpB). Но этот ток не должен превышать максимального значения, т.к. в противном случае произойдет перегрев диода и он выйдет из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в интервале 10В ÷ 10кВ.
Динамический режим работы диода.
Переключение полупроводникового диода из проводящего соединения в закрытое происходит не сразу, а по истечении какого-то времени, т.к. при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда. Время накопления заряда для маломощных диодов составляет 10-100нс. Следует заметить, что период колебания входного напряжения должен быть больше времени накопления заряда. Если такое правило не соблюдается, то диод теряет свои свойства. Чтобы уменьшить время переключения используют диод Шотки. Время накопления заряда в этом диоде очень мало и поэтому время переключения может быть доведено до 100нс.
Пробой р–п перехода .
Рис. 8 Виды пробоя p-n перехода
Если обратное напряжение р–п перехода увеличить сверх определенной величины, наступает пробой р–п перехода. При этом будет резкое увеличение величины обратном тока.Пробой делят на два вида: тепловой и электрический. Тепловой пробой (рис.8, кривая I) приводит к разрушению р–n перехода.При электрическом пробое р–п переход может сохранить свою работоспособность. При этом различают пробой лавинный (рис.8,кривая 2) и туннельный (рис. 8, кривая 3). Свойства р–п перехода в условиях лавинного и туннельного пробоя используют при создании туннельных диодов.Лавинный пробой наблюдается в широких р–п переходах. Он возникает вследствие того, что под действием электрического поля большой величины носители заряда приобретают энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом решетки полупроводника выбить из ковалентной связи электроны, вследствие чего возникает пара свободных носителей электрон–дырка. В свою очередь эти носители также выбивают электроны и т.д. Этот процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки протекает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию тока через р–п переход.Туннельный пробой наблюдается при больших напряженностях поля в узких р–п переходах. В них наблюдается туннельный эффект, который состоит в том, что электроны через узкий р–п перехода проходят в смежную область без затраты энергии, «туннелируют».
Параметры, характеристики выпрямительных диодов.
Типы полупроводниковых диодов.
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним р–п переходом и двумя омическими контактами. Он чаще всего образуется между двумя полупроводниками р–и п–типа, иногда между полупроводником и металлом.
Одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) –базой.
Параметры диодов.
Максимально допустимый ток, постоянное прямое напряжение, максимально допустимое обратное напряжение, максимально допустимый обратный ток, дифференциальное сопротивление.По типу р–п перехода диоды делят на два класса: точечные и плоскостные.По назначению и принципу работы диоды бывают следующих типов: выпрямительные, стабилитроны (стабилизаторы напряжения), вариканты, туннельные, и др.
Выпрямительные диоды
Условное обозначение туннельных диодов в электрических схемах
В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n перехода. Такие диоды применяются в качестве вентилей, которые пропускают переменный ток только в одном направлении. Принцип работы таких приборов будет рассмотрен в работе «Источники вторичного питания».
. Варикап.
Этот полупроводниковый прибор предназначен для работы в качестве конденсатора переменной емкости. Условное графическое обозначение варикапа в электрических схемах
Работа варикапа в режиме конденсатора объясняется следующим образом. Если подать на варикап обратное напряжение, то барьерная электроемкость варикапа уменьшается при увеличении напряжения и наоборот. Варикапы используются для электрической настройки колебательных контуров.
Туннельные диоды.
Условное обозначение туннельных диодов в электрических схемах:
Ткие диоды изготовляются на основе вырожденного полупроводника, т.е. из такого материала, содержание примесей в котором очень велико. Вследствие высокой концентрации примесей удельные сопротивления областей р–и n типа очень малы, а ширина р–n перехода составляет примерно 0,02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких р–n переходах достигает огромной величины – до 106 В/см.
Рис.9 Вольтамперная характеристика тунельного диода
На вольтамперной характеристике туннельного диода наблюдают следующие участки:
- рост электрического тока до максимального значения (точка «а»);
- снижение электрического тока до минимального значения (точка «В»);
- рост электрического тока от точки минимального значения (до уровня точка «а»).
Из
рисунка 9 следует, что на участке «ав»
рост напряжения соответствует
«отрицательному приращению» электрического
тока. В этом случае говорят об
«отрицательном» сопротивлении (-R)
или «отрицательном значении дифференциальной
проводимости (
).
Благодаря своей своеобразной ВАХ,
туннельные диоды используют в качестве
быстродействующих переключающих
устройств, для усиления и генерирования
электрических сигналов.
Влияние температуры на работу полупроводниковых диодов.
На
электропроводимость полупроводников
значительно влияет температура. Если
температура повышается, то возрастает
генерация пар носителей заряда и при
этом электропроводимость возрастает.
В этой связи прямой и обратный токи
увеличиваются. Например для германиевых
диодов при увеличении температуры на
каждые 10° С обратный ток может возрасти
в два раза, а для кремниевых диодов в
2,5 раза. Прямой ток при нагреве диода
возрастает незначительно, так как такой
ток получается за счет примесной
проводимости. Также с повышением
температуры незначительно возрастает
барьерная электроемкость
диода.Полупроводниковым
диодом (ПД)
называют полупроводниковый прибор
(ППП), обладающий выпрямительным свойством
и служащий ключом в процессе преобразования
переменного двухполярного напряжения
в пульсирующее напряжение одной
полярности. Широкое применение ПД
находят при создании выпрямительных
схем для источников вторичного
электропитания (ИВЭП), а также ограничителей
амплитуды импульсных сигналов и
разнообразных детекторов. Их вольтамперная
характеристика (ВАХ) при малых значениях
напряжения имеет вид, приведенный на
рис. 1.а, из которого видно, что вблизи
начала координат ПД ведут себя как
нелинейные элементы с различными
значениями обычного и дифференциального
(либо статического и динамического,
соответственно) сопротивлений,
т.е.
где
и
Если
взглянуть на ту же характеристику при
любых значениях входного напряжения
(рис. 10,б), то можно заметить, что все ПД
обладают некоторым порогом, т.к. начинают
работать не с нулевого значения
напряжения, и потерями - в виде падения
напряжения
при прямом включении (в проводящем
состоянии)
Рис.10.Вольтамперная характеристика(ВАХ) полупроводниковых диодов.
С
,
а
-
его сопротивлением по переменному току,
т.е. при включении в цепь переменного
тока с амплитудой напряжения
.
Чтобы проверить это, необходимо
исследовать выбранный диод, построить
его ВАХ и определить его
и
в
какой-либо одной точке. Аналогичные
исследования необходимо провести также
и со стабилитроном,
под
которым понимают ПД, имеющий на ВАХ при
обратном включении линейный участок с
очень большими изменениями протекающего
по нему тока и малыми изменениями падения
напряжения на нем. В ходе исследований
требуется найти среднее значения этого
напряжения (принимаемого за
напряжение
стабилизации
стабилитрона) и дифференциальное
сопротивление rст.диф
на
линейном участке ВАХ. Эти результаты
могут пригодиться для создания источников
вторичного электропитания.
Стабилитрон
Полупроводниковый стабилитрон - это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области обратимого пробоя практически не зависит от протекающего тока. Подобное свойство позволяет использовать стабилитроны в разнообразных схемах стабилизации апряжения.Стабилитроны - приборы, работающие в режиме обратимого лавинного или туннельного пробоя. Условное графическое изображение стабилитрона показано на рис.11.
Рис.11. Условное графическое изображение стабилитрона
Рабочим участком стабилитрона является участок на обратной ветви вольтамперной характеристики (рис.12.) в области напряжений, соответствующих обратимому пробою. Очевидно, что при некоторых значениях обратного напряжения (минимальное напряжение пробоя), ток прибора, ранее незначительный, начинает возрастать - наступает пробой p-n-перехода. Указанное значение напряжения пробоя прибора, называется напряжением стабилизации Uст прибора. По мере увеличения тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на стабилитроне незначительно увеличивается (можно сказать, что с достаточной степенью точности, остается постоянным при возрастании тока).
Рис. 12. ВАХ стабилитрона и зависимость температурнго коэффициента напряжения(ТКН) от напряжения стабилизации .
У стабилитронов с туннельным характером пробоя, который происходит в узких p-n-переходах (при напряженности внутреннего электрического поля Евн>1,4×106 В/м), ТКН (рис. 12. ). Для этих приборов характерным является напряжение стабилизации до 5 В.Наиболее распространены стабилитроны на основе широкого р-n-перехода с меньшей внутренней напряженностью поля (Евн <5×104 В/м), для которых характерно развитие лавинного характера пробоя. Для подобных приборов обычным является напряжение стабилизации Uст > 5 В, (рис.12.).При напряжении стабилизации стабилитрона в пределах 5…6 В, в p-n-переходе одновременно существуют оба вида пробоя (смешанный тип пробоя). Дифференциальное сопротивление rд (rд = ∆Uст/∆Iст) характеризует качество стабилитрона на участке стабилизации, т.е. степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации. Зависимость дифференциального сопротивления r(U) во всем диапазоне напряжений показана пунктиром (рис. 13, а).
а б
Рис. 13 Линеаризованная ВАХ стабилитрона (а) и схема его замещения (б).
Расчёты погрешностей.
Относительная погрешность расчета, моделирования и натурного эксперимента при определении каждого параметра находится в процентах по формуле:
δА=(ΔА/A)*100%,
где ΔА-абсолютная погрешность;
A-значение измеряемого параметра.
Погрешности возникают при расчете, определении погрешностей отсчета на экране дисплея и погрешностей измерительных приборов при проведении натурных экспериментов. Для повышения точности отсчетов при прямых измерениях по экрану дисплея или с помощью измерительного прибора, целесообразно значение каждого параметра повторять ,примерно, три раза и в формулу для расчета относительной погрешности подставлять средние значения . В таком случае:
ΔА= (ΔА1+ ΔА2+ ΔА3)/3;
А= (А1+ А2+ А3)/3,
где ΔА1, ΔА2,ΔА3 - погрешности отдельных замеров;
А1, А2,А3 - значения отдельных замеров определяемого параметра.
При проведении косвенных измерений для определения результирующей абсолютной погрешности необходимо пользоваться дифференциалами функций. Дифференциалы некоторых функций (<А) указаны в табл.1.
Таблица 1
-
ФФункция
ΔА
yy=x1+ x2
±( Δx1+ Δx2)
yy=x1- x2
± ( Δx1+ Δx2)
yy=k* x
±k*Δx
yy=x1* x2
± ( x2*Δx1+ x1*Δx2)
yy=x1/ x2
± ( x2*Δx1+ x1*Δx2)/ x22