Цель: Изучение характеристик и параметров диодов, экспериментальное исследование их вольтамперных характеристик (ВАХ).
Теоретический материал для подготовки и выполнения лабораторной работы:
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом.
В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n- переходе различают шесть основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.
Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например, для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n-перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика (рис.1)
Рис.1
В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой бывает двух видов - лавинный и туннельный.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
· Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах – наибольшее постоянное (или импульсное) обратноенапряжение, при котором диод может длительно и надежно работать обычно;
· Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mах —средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа
· Прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ с использованием следующих соотношений:
R д пр = Uпр / Iпр; R д обр = Uобр / Iобр;
· Максимальная частота fтах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.
· Постоянное прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока Iпр – заданного ТУ.
· Постоянный обратный ток Iобр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (Uобр мах). Чем меньше Iобр, тем качественнее диод.
Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.
При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами:
1) Время установления прямого напряжения на диоде (t уст) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью.
2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t восст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью, обычно 10% от максимального обратного тока.
Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.