Теоретическое введение. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды

Лабораторная работа № 1.

Результаты работы

Все измерения частоты сведите в таблицу.

Способ измерения	Теоретический	По осциллографу	По АЧХ LOG	По АЧХ LIN	По ФЧХ LOG	По ФЧХ LIN
Частота, (кГц)
Погреш-ность абсолютная,(Гц)
<Погрешность относительная, (%)/td>

Напишите выводы по проделанной работе, в которых сравните результаты расчёта и измерения частоты контура по временным характеристикам, АЧХ и ФЧХ логарифмического и линейного масштабов. Объясните результаты.

Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочными (р-п) переходами, разделяющем р - и п - области кристалла полупроводника и двумя выводами (рис. 1.1). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией - базой.

Рис. 1.1 Условное обозначение полупроводникового диода (а) и его структура (б).

Принцип работы полупроводникового диода. Предположим, что внешнее напряжение на выводах отсутствует. Тогда, свободные электроны п - области стремятся в р - область, аналогично дырки из р- области диффундируют в п- область и возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя границу раздела р- и п- областей, оставляют «после себя» противоположные заряды, которые создают внутреннее электрическое поле с напряженностью Е _зар, препятствующей дальнейшей диффузии основных носителей заряда. В результате, возникает так называемый «потенциальный барьер», а диффузия практически прекращается, так как энергия носителей заряда недостаточна для преодоления потенциального барьера. При подключении к выводам диода внешнего напряжения[1], которое создаст в р-п- переходе поле, векторы напряженности которого совпадают с Е _зар, высота потенциального барьера увеличивается и как следствие диффузионный ток стремится к нулю. Если полярность прикладываемого напряжения изменить[2], то создаваемое им электрическое поле будет компенсировать действие внутреннего поля, уменьшая этим высоту потенциального барьера. В результате, по мере возрастания напряжения, в область базы будет вводиться все большее количество дырок, которые и образуют прямой ток диода I_пр (рис. 1.2,а).

Все полупроводниковые диоды принято подразделять на две группы: выпрямительные, предназначенные для выпрямления переменного тока и специальные. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения, выпрямительные диоды подразделяются на высокочастотные (максимально допустимая частота входного напряжения f _max>10³ Гц), низкочастотные (f _max<10³ Гц) и импульсные. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (максимально за период входного напряжения среднее значение прямого тока диода I_{пр ср max}≤0,3 А), средней мощности (0,3 А <I_{пр ср max}≤10 А) и большой мощности (I_{пр ср max}>10 А).

Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Силовые диоды характеризуются рядом статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: падение напряжения на диоде при заданном прямом токе U_пр; среднее значение прямого тока I_пр; допустимое обратное напряжение U_обр и соответствующий ему обратный ток I_обр. Статические параметры удобно определять по вольт-амперной характеристике диода (рис. 1.2,б)

Рис. 1.2 Статическая вольт-амперная характеристика диода идеального (а) и реального диода (б).

1 – ВАХ при комнатной температуре t ₁; 2 – Вах при температуре t ₂< t ₁

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением

(1.1)

где I₀ – тепловой ток; U_Д - напряжение на p-n переходе; - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т =300 К, φ_Т = 0,025 В); k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1...0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебрегать (e ^-4≈0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей (е⁴ ≈54,6), поэтому ВАХ, описываемая, этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2, а. По мере возрастания положительного напряжения на p-n переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n переходов характерен режим заданного прямого тока.

Реальный p-n переход не является бесконечно тонким и поэтому при обратном напряжении происходит генерация пар электрон – дырка. ВАХ реального диода приведена на рис. 1.2,6 (кривая 1). Видно, что при определенном значении обратного напряжения U_обр=U_проб начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I_обр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (см. рис. 1.2,6, отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит, в тепловой (см. рис. 1.2,6, участок ВАХ после точки В) Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход. Прямая ветвь ВАХ реального диода (см. рис. 1.2,6) также отличается от ВАХ идеального p-n перехода. Это вызвано влиянием объемного сопротивления базы диода при больших уровнях инжекции'[3]. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением (см. рис. 1.2,б кривая2). Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, К ^-1

(1.2)

где ∆Т и ∆U – конечные приращения температуры и напряжения вблизи рабочей точки.

ВАХ позволяет так же определить статическое и дифференциальное (динамическое) сопротивления диода. Дифференциальное сопротивление (r _д) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения ∆U к соответствующему приращению тока ∆I в заданном режиме работы диода и может, быть определен графически с помощью угла между касательной в рассматриваемой рабочей точке ВАХ и осью абсцисс (см. рис. 1.2,б угол β):

(1.3)

где m_U, m_I - масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление R _ст численно равно отношению; напряжения на элементе U _E к протекающему через него току I _E и может быть определено графически через угол наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс (см. рис. 1.2,б угол α):

(1.4)

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С _д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода С_пер, образованную диффузионной С_диф [4], зарядной (барьерной) С _зар [5] емкостями, и емкостью С _к корпуса диода. Полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости С_зар от значения приложенного напряжения называется варикап. Условное графическое обозначение варикапа приведено в прил. 1. Значение емкости диода определяется режимом его работы, действительно, при прямом напряжении , при обратном , это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Рис. 1.3. Вольт-фарадная характеристика варикапа.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 1.3) - зависимость емкости варикапа от значения, приложенного обратного напряжения. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить как

где С ₀ – начальная емкость варикапа при U_в= 0 В; U_в – напряжение на варикапе; ψк – контактная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: емкость Св [6], добротность и коэффициент перекрытия по емкости, равный[7]

(1.5)

где С_max, C_min – емкость варикапа максимальная и минимальная соответственно (Кс = 2... 20).

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 1.4. Видно, что полное сопротивление варикапа определяется как:

Рис. 1.4. Эквивалентная схема замещения варикапа: R_ш – сопротивления перехода и шунтирующих его утечек, R_п – сопротивление материала полупроводника, С – зарядная емкость С_зар.

Видно, что реактивное сопротивление варикапа нелинейно зависит от частоты, поэтому добротность варикапа, определяемая отношением его реактивного и активного сопротивлений, будет иметь максимум, который соответствует частоте

. (1.6)

Для варикапов изготовленных из арсенида галлия ω ~ 1кГц, а для кремниевых – достигает 1 МГц. Зависимости емкости варикапа от приложенного нему обратного напряжения и частотная зависимость его сопротивления позволяют широко использовать варикапы в различных резонансных контурах электронных схем модуляторов, генераторов и т.п.

Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы

Упражнение 1. Эффект р-п перехода в диодах.

1. Собрать стенд, в соответствии со схемой (рис. 1.5. а)

Рис. 1.5. а

1. К диоду при прямой полярности приложить напряжение постоянного тока U_пр.= 0 В.Измерить величину соответствующего тока I_пр.
2. Повторить измерения тока I_пр по п.2, устанавливая значения напряжения в диапазоне, результаты измерений занести в таблицу 1.1
   (Табл. 1.1)

Uпр., В	0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,65
Iпр, мА

1. Изменить полярность диода в соответствии со схемой (рис. 1.5. б)

Рис. 1.5. б

1. Повторить измерения по п.3, устанавливая значения напряжения в диапазоне результаты измерений занести в таблицу 1.2
   (Табл. 1.2)

Uобр., В	0,0			15[8]
Iобр, мкА

1. По результатам измерений по пп. 3, 4 построить ВАХ выпрямительного диода.
2. По ВАХ определить в соответствии с (1.3) дифференциальное сопротивление диода.
3. По ВАХ определить в соответствии с (1.4) статическое сопротивление диода.

Упражнение 2. Диоды с переменной емкостью.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 1.6.)

Рис. 1.6.

1. Приложить к входу 0 цепи синусоидальное напряжение амплитудой U₀=10 В. Частоту переменного напряжения установить 10 кГц.
2. Приложить к входу 2 постоянное напряжение 2 В. Изменяя частоту напряжения U₀ (амплитуда U₀ поддерживается постоянной и равной 10 В) в диапазоне 10-20 кГц определить, по результатам регистрации U₁ между концами параллельной цепочки, резонансную частоту[9].
3. Повторить измерения по п. 3, устанавливая постоянное напряжение в диапазоне 2-30 В, результаты измерений занести в таблицу 1.3

(Табл. 1.3)

U2, В	f, кГц	L, мГн	С, пФ

1. В соответствии с табл. 1.3 построить график зависимости резонансной частоты от обратного напряжения.
2. Определить емкость варикапа, полагая из (1.6) что . Результаты вычислений занесите в табл. 1.3.
3. Построить график зависимости емкости варикапа от обратного напряжения.
4. Определить по формуле (1.5) коэффициент перекрытия по емкости.

Контрольные вопросы.

1. Какие свойства p-n перехода нашли применение в электронике?
2. Как определяют дифференциальное и статическое сопротивление полупроводниковых приборов?
3. В чем заключается принцип действия диода?
4. В чем заключается принцип действия варикапа?

Лабораторная работа № 2.

Дата добавления: 2015-06-04