- •Исследование полупроводниковых диодов
- •2 Целью работы
- •3. Описание работы стенда
- •4. Порядок выполнения работы
- •4.1. Ознакомиться с теоретической частью работы.
- •4.2. Ознакомиться с описанием стенда.
- •4.5. Снять вах кремниевого диода кд101а.
- •5. Содержание отчёта
- •6. Вопросы к зачёту по лабораторной работе
- •Литература
Лабораторная работа № 1
Исследование полупроводниковых диодов
Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими «п-р» переходами и с двумя или тремя выводами ..
В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.
По функциональному назначению диоды делятся на : выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ- диоды , стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.
По конструктивному исполнению диоды бывают : плоскостные и точечные.
По используемому материалу – кремниевые, германиевые, арсенидгалиевые.
Диоды служат для следующих целей:
-
выпрямления переменного тока;
-
стабилизации тока и напряжения;
-
формирования импульсов сигналов;
-
для регулирования мощностей и т.д.
1 . Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.
Они делятся на следующие виды:
-
маломощные (до 0,3 А);
-
средней мощности (до 10 А);
-
мощные ( до тысяч ампер и более )
-
низкочастотные (до 1 кГц) и высокочастотные (до 100кГц).
Диоды средней и большой мощности для отвода тепла имеют радиаторы.
Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов приведена на рис.1:
+70ºс
0ºс
+70ºс
-70ºс
1 2 3
-1
-3
-2
0ºс
-70ºс
I,а
-20
U, В
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диодов
Вольт-амперная характеристика зависит от рабочей температуры (рис. 1). У германиевых диодов обратный ток Iобр. увеличивается в два раза при увеличении температуры на 100 С.
Основные параметры выпрямительных диодов следующие:
-
Средний выпрямительный ток Iср.
-
Максимальный прямой ток диода Iмак.
-
Обратный ток диода Iобр. при заданной температуре.
-
Среднее прямое напряжение Uпр при Iср.
-
Пороговое напряжение на диоде Unoр.
-
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс.
-
Дифференциальное сопротивление r диф. = ∆U/∆I
-
Частота переменного тока f.
-
Средняя рассеиваемая мощность Pg.
б)
U
Рис. 2. Выпрямительный диод: условное обозначение (а), его ВАХ (б)
При расчете диодных схем выбранные режимы работы должны быть значительно меньше предельно-допустимых.
Uобр 0,7*U обр.макс , Iср (0,2 0,5) I макс .
Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока широко используются диодные мосты и диодные столбики. Диодные мосты – четыре диода, включенные по схеме моста (рис. 3).
Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов, предназначенных для выпрямления высоковольтного напряжения.
~
а)
+
~
б)
─
~
~
Рис. 3. Диодный мост: условное обозначение (а), электрическая схема моста (б)
2. Импульсные диоды нашли применение в импульсных схемах промышленной электроники и автоматики. Такие диоды отличаются малым временем включения и выключения.
3 .Высокочастотные диоды используются в высокочастотных схемах. Они имеют обладают минимальными паразитными емкостями и индуктивностями
4 Стабилитроны применяются для стабилизации напряжений ..
В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на «p-n» - переходе при электрическом пробое. Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на (рис. 4)
ICT.мин
А
а)
1 2 3
∆I
∆U
Uа,В
ICT
Iа,А
─Uа,В
ICT.мак
б)
К
Uст
Рис. 4. Условное обозначение стабилизатора (а) и его ВАХ (б)
Основными параметрами стабилитрона являются:
-
напряжение стабилизации Uст,
-
минимальный ток стабилизации Iст.мин,
-
максимальный ток стабилизации Iст.мак,
-
дифференциальное сопротивление rдиф= ∆U/∆I,
-
температурный коэффициент напряжения стабилизации,
-
мощность рассеивания и др.
Стабилитроны могут быть одноанодные и двуханодные. Последние обеспечивают стабилизацию двуполярных напряжений и представляют собой два встречно включенных одноанодных стабилитронов (рис.5).
а) б)
А
I
К
+Uст
U
−Uст
Рис. 5. Условное обозначение двуханодного стабилитрона (а) и его ВАХ (б)
Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со стабилитроном включается диод. Такие стабилитроны относятся к прецизионным.
Стабилитроны делятся на маломощные, средней мощности и мощные. Используются для стабилизации напряжения, а также в импульсных схемах и преобразователях .
5 Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличие от последних, в них используется прямая ветвь ВАХ. Поэтому стабисторы позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35…1,9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.
На рис. 6 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения. с использованием стабилитронов и стабисторов
Rб
Iвх
Iн
Uб
Iст
Uвх
VD
Rн
Uвых
Рис. 6. Схема параметрического стабилизатора напряжения
Uвх = Uб + Uн Iвх = Iст + Iн
6 Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис. 7 приведена вольтамперная и емкостная характеристики варикапа.
а) б) в)
А
Ia
C
К
Ua
U
Рис. 7. Условное обозначение (а), ВАХ (б), емкостная характеристика варикапа (в)
Ёмкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.
Основные параметры варикапа:
-
общая емкость Св;
-
коэффициент перекрытия по емкости К=Св.мак/Св.мин; обычно К=(5-20);
-
сопротивление потерь rп;
-
добротность Q;
-
температурный коэффициент емкости.
Варикапы применяются в резонансных системах, например, для частотной модуляции сигналов.
7 Динисторы представляют собой четырехслойную структуру и имеют три «p-n» - перехода (рис.8).
а) б) в)
I
III
Iа
I
Iудерж
II
Ua
Uпр
Uвкл
Рис. 8. Структура динистора (а), его условное обозначение (б) и его ВАХ (в)
ВАХ динистора приведена на рис.8. При повышении анодного напряжения Ua Uвкл. возникает пробой « п-р» перехода . В открытом состоянии (III) динистор будет находиться до момента, пока по нему протекает ток Ia>Iудерж. При этом ток ограничивается сопротивлением нагрузки Rн. Выключение динистора происходит, если Ia<Iудерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов и в преобразователях.
8. Тиристоры – это многослойная структура, имеющая три вывода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 9).
а) б) в)
Iа
А
Y
А
А
Iу1>Iу2>Iу3>Iу4
К
Iпр
Iу5=0
Iудерж
Y
Y
К
Uа
К
Uпр
Uвкл
Рис. 9. Структура тиристора (а), условное обозначение (б) и его ВАХ (в)
На управляющий электрод поступает управляющий ток Iупр уменьшающий напряжение Uвкл.
Если Uупр. = 0 и Iупр. = 0, то тиристор превращается в динистр. Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в различных формирователях, регуляторах тока, преобразователях.
Тиристоры делятся на не запираемые и запираемые. Последние могут переключаться из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности.
9. Симисторы имеют пятислойную структуру, три электрода (А, К, У) и симметричную ВАХ. Открывание симисторов происходит управляющим токовым сигналом.
Симисторы в отличие от тиристоров имеют возможность проводить ток в двух направлениях, поэтому на симисторы можно подавать переменное напряжение.
Симисторы, как и тиристоры, могут применяться в формирователях, коммутаторах, регуляторах тока и напряжения.
А
К
Y
Ua
Рис.10. Условное обозначение (а), ВАХ (б) симистора
Важнейшими параметрами тиристоров являются:
-
ток удержания тиристора Iудерж,
-
напряжение в открытом состоянии,
-
ток отпирания,
-
время включения,
-
время отключения,
-
прямое напряжение,
-
предельно-допустимое обратное напряжение,
-
средний ток и др.
Маркировка (обозначение) диодов:
-
первый элемент – буква (цифра) – материал диода Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – арсений;
-
второй элемент – буква, обозначающая назначения диода: Д – диод выпрямитель, Ц – мост, В – варикап, С – стабилитрон (стабистор), Н – динистор, У – тиристор, А – СВЧ;
-
третий элемент – три цифры – характеристики диода.
-
Четвертый элемент – параметрический параметр