Краткие теоретические сведения. Исследование характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы

Исследование характеристик полупроводниковых диодов

ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Исследование и построение вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод – это прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) р – n переходов.

На рис.2.1 показано графическое изображение для диода (а) и
р – n перехода (б).

а) б)

Рис.2.1

Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к n области – катодом. В полупроводниках n-типа преобладает электронный ток, в полупровдниках p-типа носителями заряда являются дырки (в кристаллической решетке в одном из узлов отсутствует один электрон).

Диод как элемент электрической цепи при работе в области низких частот представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, которое зависит от приложенных к диоду напряжения и его полярности.

Направление, в котором диод имеет малое сопротивление, называется прямым или проводящим, противоположное направление с большим сопротивлением называется обратным или запирающим.

Соответственно ток, протекающий через диод, в зависимости от полярности приложенного напряжения называется прямым или обратным.

Диод, сопротивление которого в прямом (проводящем) направлении равно нулю, а в обратном (непроводящем) – бесконечно велико, называют идеальным диодом.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) (зависимость постоянного тока от постоянного напряжения, подводимого к диоду) идеального диода приведена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Вольт-амперная характеристика идеального диода  

ВАХ реального диода приведена на рис.2.3. Различают две ветви ВАХ: прямую (она построена в первом квадранте) и обратную (построена в третьем квадранте). Для удобства прямую и обратную ветви строят в разных масштабах. Прямая ветвь ВАХ содержит два участка. На первом участке (обозначен цифрой I) диод имеет относительно высокое сопротивление.

При достижении прямым напряжением значения ∆υ_n, равного обычно нескольким десятым вольта (для германиевых диодов 0,2 В, для кремниевых 0,7 В), сопротивление диода резко падает и начинается участок малого сопротивления – П.

На обратной ветви ВАХ различают три характерных участка. Первый участок (цифра Ш) сравнительно невелик и соответствует еще довольно высокой проводимости.

На втором участке (отмечен цифрой IV) наступает явление насыщения, при котором рост обратного тока замедлен. Третий участок характеристики (V) определяется наступлением пробоя диода. При этом обратный ток резко возрастает, и в зависимости от типа диода и условий его работы наступает обратимый или необратимый пробой p-n перехода. Напряжение, при котором начинается резкое увеличение обратного тока, называется максимальным обратным напряжением U_{об,макс}.

Рис.2.3. Вольт-амперная характеристика реального диода

Кроме вольт-амперной характеристики параметры диода определяют значением сопротивления в рабочей точке. Значение сопротивления в очень большой степени зависит от выбора рабочей точки. В области прямого тока сопротивление лежит в интервале от нескольких Ом до нескольких десятков Ом, в области обратного тока достигает нескольких сотен кОм.

Сопротивление диода в рабочей точке называется статическим сопротивлением или сопротивлением по постоянному току и определяется как отношение напряжения на аноде диода к току, протекающему через диод в этой точке R_ст = U/I.

Во многих случаях при подведении переменного напряжения к диоду, работающему в определенной рабочей точке, необходимо определить сопротивление диода, указывающее ход характеристики вблизи рабочей точки.

В этом случае пользуются понятием динамического или дифференциального сопротивления, определяемого наклоном касательной к характеристике диода в рабочей точке. Наклон определяется как отношение приращений напряжения и тока вблизи этой точки

.

В справочных материалах не приводятся ВАХ диодов, т.к. они сильно отличаются даже для диодов одной партии. Основными эксплуатационными параметрами диодов, как правило, являются следующие:

1) I_пр,ср – средний прямой ток – это максимально допустимое значение тока, протекающего через диод в прямом направлении;

2) U_пр,ср – среднее прямое падение на диоде при заданном среднем значении прямого тока;

3) I_обр,ср – средний обратный ток диода – это среднее за период значение обратного тока;

4) U_обр – допустимое обратное напряжение – это значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без выхода из строя.

Приведенные параметры диода характерны для низких частот (до 50 Гц, если не оговорена иная частота). Для более высоких частот необходимо учитывать собственные емкости диода, различные для прямого и обратного напряжения и его величины).

Обычно плоскостные диоды работают на частотах до 10 кГц. Это связано с большой емкостью p-n перехода при обратном смещении (20-50 пкФ), определяемой площадью p-n перехода. При увеличении частоты свыше 10 кГц потери в диоде резко увеличиваются, диод разогревается и может выйти из строя.

ВАХ диода можно получить используя программу моделирования «Electronics Workbench».

Прямую ветвь статической ВАХ можно построить применяя схему, изображенную на рис. 2.4 при исследовании реального диода последовательно – с ним в схему включать резистор, ограничивающий ток на уровне I_пр при максимальном значении входного напряжения.

Для эксперимента с моделью диода сопротивление переменного резистора выбирается в диапазоне 100 – 500 Ом путем задания этого параметра в меню. Инкремент (шаг изменения сопротивления) выбрать равным 1%, клавишу клавиатуры для изменения сопротивления назначить по собственному желанию (парметр Key в меню, по умолчанию установлена буква R). Максимальному значению (100%) соответствует нижнее положение подвижного контакта резистора, то есть напряжение на диоде в этом случае равно нулю. Уменьшение сопротивления (при разомкнутой клавише Shift) в % ведет к росту напряжения, подаваемого на диод. Общее количество точек для диапазона изменения сопротивления от 100% до 5-3% выбрать равным 15-20 таким образом, чтобы на участке перегиба характеристики их было больше, чем на начальном и конечном участках. Для построения характеристики и оформления результатов, представленных в форме табл.1, можно воспользоваться, например, средствами Microsoft Excel.

Таблица 1

Параметр	Номер измерения
			…	…	…	….	…
R, Ом
I, (млА¸ мкА) отслеживать при измерениях
U, (млВ¸мкВ)

Для получения обратной ветви ВАХ используется схема, приведенная на рис.2.5. Напряжение источника питания в этом случае выбирается больше, чем U_обр. диода. В этом случае на характеристике можно получить участок обратимого электрического пробоя. Величина сопротивления переменного резистора выбирается в диапазоне
100 – 500 кОм. Количество точек выбирается произвольно таким образом, чтобы участок начала электрического пробоя (резкое возрастание обратного тока) был воспроизведен большим количеством точек. Значения токов и напряжений для обратной ветви ВАХ необходимо записывать со знаком минус.

Рис.2.4. Схема для прямой ветви ВАХ полупроводникового диода

Рис.2.5. Схема для обратной ветви ВАХ полупроводникового диода

Так как измерительные приборы EWB автоматически изменяют диапазон измерения необходимо внимательно следить за их показаниями и не путать мили- и микроамперы, мили- и микровольты.

Дата добавления: 2015-06-04