Ростовский технологический
Институт сервиса и туризма (филиал)
ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный
Университет экономики и сервиса»
РТИСт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»
Калиенко И.В., Безуглов Ю.Д.
Расчет параметров и характеристик
полупроводниковых диодов и транзисторов
Методическое пособие по выполнению курсовой
работы по дисциплине «Электроника»
Допущено решением Ученого Совета РТИСТ ЮРГУЭС в качестве практикума для обучения студентов механико-технологического факультета по специальности «БРА».
Протокол № 8 от 4 мая 2010 г.
Ростов-на-Дону
УДК 621.325
Калиенко И.В., Безуглов Ю.Д.
Расчет параметров и характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов. Методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине «Электроника». –Ростов-на-Дону.: РТИСТ (филиал) ЮРГУЭС. 2010.
Настоящее пособие предназначено для студентов механико-технологического факультета специальность 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», специальность «Сервис» специализация «Сервис компьютерной и микропроцессорной техники», специализация «Сервис аппаратуры спутникового и кабельного телевидения». Оно включает в себя исходные данные для расчета, методические указания по выполнению курсовой работы, теоретические сведения, необходимые для выполнения работы, требования, предъявляемые к оформлению.
© Калиенко И.В., Безуглов Ю.Ю. 2010.
Оглавление
Введение
1. Расчет параметров полупроводниковых диодов
2. Определение h-параметров биполярных транзисторов
3. Графоаналитический расчет рабочего режима биполярных транзисторов
4. Расчет параметров и характеристик полевых транзисторов
Библиографический список
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц). В качестве выпрямительных используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения (рисунок 1.1). Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) направлению тока, а расположенная в третьем квадранте обратному направлению тока.
Рисунок 1.1 - Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов
Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь, и ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.
Токи диодов зависят от температуры (рисунок 1.1). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/°С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в два раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10°С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.
Высокочастотные диоды - приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же свойства, что и выпрямительные, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.
Основные параметры:
Unp - постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе;
Uобр - постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;
Iпp - постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;
Iобр - постоянный обратный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;
Unp.oбр - значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода;
Inp.cp - средний прямой ток, среднее за период значение прямого тока диода;
Iвп.ср - средний выпрямительный ток, среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока);
Ioбр.cp - средний обратный ток, среднее за период значение обратного тока;
Рпр - прямая рассеиваемая мощность, значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого тока;
Pср - средняя рассеиваемая мощность диода, среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного тока;
Rдиф - дифференциальное сопротивление диода, отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока на нем при заданном режиме
. (1.1)
Rnp.д. - прямое сопротивление диода по постоянному току, значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного прямого напряжения на диоде и соответствующего прямого тока
. (1.2)
Rобр.д - обратное сопротивление диода; значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного обратного напряжения на диоде и соответствующего постоянного обратного тока
. (1.3)
Максимально допустимые параметры определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течение установленного срока службы. К ним относятся: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр. max; максимально допустимый прямой ток Iпр.max, максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср. max, максимально допустимый средний выпрямленный ток Iвп.ср.max, максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Рср.max.
Указанные параметры приводятся в справочной литературе. Кроме того, их можно определить экспериментально и по вольт-амперным характеристикам.
Рассмотрим пример (рисунок 1.2). Рассчитать и сравнить Rдиф, Rпр.д для диода ГД107 при Iпр = 12 мА.
Рисунок 1.2 – Определение сопротивлений выпрямительного диода
Дифференциальное сопротивление находим как котангенс угла наклона касательной, проведенной к прямой ветви ВАХ в точке Iпр = 12 мА
(Rдиф ~ ctg Θ~)
. (1.4)
Прямое сопротивление диода находим как отношение постоянного напряжения на диоде Uпр =0,6В к соответствующему постоянному току Iпр =12мА на прямой ветви ВАХ
. (1.5)
Видим, что Rдиф < Rпр.д. Кроме того, отметим, что значения данных параметров зависят от заданного режима. Например, для этого же диода при Iпp =4мА
(1.6), (1.7)
Рассчитать Rобр.д для диода ГД107 при Uобр = 20 В и сравнить с рассчитанной величиной Rпр.д. На обратной ветви ВАХ ГД107 (рисунок 1.2) находим: Iобр = 75мкА при Uобр =20В. Следовательно,
. (1.8)
Видим, что Rобр >> Rпр.д, что говорит об односторонней проводимости диода. Вывод об односторонней проводимости можно сделать и непосредственно из анализа ВАХ: прямой ток Iпp ~мА при Uпр <1B, в то время как Iобp ~ десятки мкА при Uобр ~десятки вольт, т.е. прямой ток превышает обратный в сотни- тысячи раз
. (1.9)
Дифференциальное сопротивление выпрямительного диода можно найти по приращениям, взятым около заданной точки (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Определение дифференциального сопротивления выпрямительного диода
Тогда дифференциальное сопротивление находим как отношение приращения напряжения к приращению тока в заданной рабочей точке
. (1.10)
При этом расчете получили одинаковый результат.
Следует отметить, что ввиду нелинейности вольт-амперной характеристики выпрямительного диода значения всех рассчитанных сопротивлений в разных рабочих точках будут различны.
Стабилитроны и стабисторы предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении протекающего через диод тока. У стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики в области обратных напряжений (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона
На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при значительном изменении тока протекающего через диод. Подобной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного (высоколегированного) материала. При этом образуется узкий p-n-переход, что создает, условия для возникновения электрического пробоя при относительно низких обратных напряжениях (единицы - десятки вольт). А именно такие напряжения нужны для питания многих транзисторных устройств. В германиевых диодах электрический пробой быстро переходит в тепловой, поэтому в качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большей устойчивостью в отношении теплового пробоя. У стабисторов рабочим служит прямой участок вольт-амперной характеристики (рисунок 1.5). У двухсторонних (двух-анодных) стабилитронов имеется два встречно включенных p-n перехода, каждый из которых является основный для противоположной полярности.
Рисунок 1.5 - Вольт-амперная характеристика стабистора
Основные параметры:
Uст - напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;
∆Uст.ном - разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номинального значения;
Rдиф.ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот;
αСТ - температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.
Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.
Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения (рисунок 1.6) основан на использовании нелинейности обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитронов (рисунок 1.4). Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону.
Рисунок 1.6 - Стабилизатор напряжения
В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне
URН = UVD = UСТ, (1.11)
а входное напряжение распределяется между Rогр и VD
UВХ = URОГР + UСТ. (1.12)
Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона
IRОГР = IСТ + IН. (1.13)
Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т.е. соответствовал середине рабочего участка.
IСТ.НОМ = (IСТ.МИН + IСТ.МАКС) / 2. (1.14)
Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяет изменение напряжения стабилизации при заданном изменении тока. Если ток изменяется на всем участке от минимального значения IСТ.МИН до максимального IСТ.МАКС, то напряжение на стабилитроне изменится на величину
∆Uст= Rдиф.ст (IСТ.МАКС - IСТ.МИН). (1.15)
Дифференциальное сопротивление является важным параметром стабилитрона. Оно определяется на участке лавинного пробоя на обратной ветви стабилитрона. Обычно Rдиф.ст составляет единицы- десятки Ом. Малое значение Rдиф.ст показывает, что напряжение на стабилитроне изменяется мало, остается почти постоянным, стабильным в большом диапазоне изменения тока стабилитрона. Строго говоря, дифференциальное сопротивление стабилитрона имеет различное значение при разном токе стабилизации.