Тема: Снятие и расчет характеристик выпрямительных диодов и полупроводниковых стабилитронов.
Цель работы: ознакомление с основными параметрами и характеристиками полупроводниковых выпрямительных диодов и полупроводниковых стабилитронов.
Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов
Общие сведения
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n- переходами и двумя выводами.
Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1, а, б.
а б
Рис. 1
Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p -типа и n -типа. Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n- структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.
В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n- переходе различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.
На рис. 2 представлены структуры планарно-эпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.
а б
Рис. 2
Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольтамперная характеристика. В отличие от характеристики идеального p-n- перехода (пунктирная кривая на рис. 3,а), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 3,а) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объёмном сопротивлении базы диода r.
|
|
Уравнение вольтамперной характеристики имеет вид:
где U - напряжение на p-n- переходе; I0- обратный (или тепловой) ток, 
- температурный потенциал электрона.
а б
Рис. 3
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.
Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полупроводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний.
Вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рис. 3,б. При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде (рис. 4,а) значительно меньше, чем в германиевом (рис. 4,б).
а б
Рис. 4
Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц –
100 кГц. В них используется главное свойство p-n -перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n -перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов.
|
|
Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации).
Среднее прямое напряжение Uпр..ср — среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.
Средний обратный ток Iобр. ср — средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр. mах (Uобр. и mах) – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.
Максимально допустимый выпрямленный ток Iвп. ср mах — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.
Максимальная частота fтах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.
Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.