Лабы

Работа выпрямительных диодов основана на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

Наибольший выпрямленный ток Iвып_ макс– максимальное

допустимое значение прямого тока за период.

Прямое падение напряжения Uпр– напряжение на диоде при

протекающем через него установленном выпрямленном токе. Наибольшее обратное напряжение Uобр_ макс – напряжение,

которое может быть приложено к диоду в обратном направлении в течении длительного времени без опасности нарушения его работы.

Наибольший	обратный ток	Iобр_ макс–	ток через диод при
приложенном к нему допустимом обратном напряжении.
Наибольшая	допустимая	мощность	рассеивания Pмакс–

допустимая мощность, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надёжность при длительной работе диода.

Диапазон частот f – полоса частот, в пределах которой выпрямленный ток не уменьшается ниже заданного уровня.

Вольтамперная характеристика кремниевого и германиевого диодов изображена на Рисунке 10. Кремниевые диоды имеют значительно меньшие обратные токи, чем германиевые при одинаковом значении обратного напряжения. Диапазон рабочих температур кремниевых диодов составляет -60…+150 С, германиевых - 60…+80 С. Это объясняется увеличением собственной проводимости

германия при увеличении температуры выше +80 С, в связи с чем нарушается свойство односторонней проводимости p-n перехода.

Рисунок 10 – Вольтамперная характеристика выпрямительных диодов

Германиевые диоды имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые, так как для германия можно получить меньшее значение сопротивления в прямом направлении. Соответственно, германиевые диоды рассеивают меньшую мощность.

Стабилитроны.

Работа данного вида полупроводниковых диодов основана на явлении обратимого электрического пробоя. Стабилитрон работает при обратном напряжении. Основной характеристикой стабилитрона является ВАХ (Рис. 11).

Прямая ветвь схожа с характеристикой любого кремниевого диода, а обратная практически параллельна оси токов в районе заданного напряжения. Постоянство падения напряжения при изменении тока в больших пределах является главным свойством стабилитронов.

Рисунок 11 – Вольтамперная характеристика стабилитрона

Основные параметры стабилитронов:

Напряжение стабилизации Uст – падение напряжения на

стабилитроне в области стабилизации при номинальном значении тока. Минимальный ток стабилизации Uст_ мин , при котором возникает

устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации Iст_ макс, при котором

рассеиваемая мощность не превышает допустимого значения. Динамическое сопротивление RД – отношение приращения

напряжения на стабилитроне к приращению тока в режиме стабилизации.

Максимальная мощность рассеивания Pмакс – наибольшая

мощность, выделяющаяся на p-n переходе, при которой не возникает тепловой пробой.

При изготовлении стабилитронов используют различные материалы. Однако, германий не походит для этих целей, так как процессы в стабилитроне сопровождаются выделением тепла. Для германия это приводит к дополнительной тепловой генерации зарядов, что нарушает работу прибора.

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих цепях с частотой переключения более 1МГц. Вольтамперная характеристика схожа с характеристикой

выпрямительного диода. Однако основной является переходная характеристика (Рис.12).

Рисунок 12 – Переходная характеристика импульсного диода

Основными параметрами импульсных диодов являются:

Импульсное прямое сопротивление Rимп_ пр– отношение

наибольшего импульсного прямого напряжения на диоде к вызвавшему его импульсу тока.

Время восстановления обратного сопротивления в– время с

момента смены направления тока с прямого на обратное до того момента, когда ток уменьшится до заданного значения.

Выпрямленный ток Iвып– среднее значение тока через диод с

учётом частоты следования импульсов.

Максимальный импульсный ток Iимп_ макс– наибольшее значение

тока в импульсе заданной длительности, допустимое для диода без его повреждения.

Наибольшая ёмкость диода C – ёмкость диода между его выводами при заданном напряжении.

Рассмотрим принцип работы импульсного диода Под воздействием импульса напряжения положительной полярности

через диод протекает прямой ток. При изменении полярности напряжения диод закроется не сразу. В первый момент времени наблюдается резкое увеличение обратного тока I1. Через время в он

спадает до указанного значения Iобр. Это явление связанно с эффектом

накопления. Суть эффекта состоит в том, что во время протекания прямого тока через p-n переход осуществляется инжекция носителей зарядов. В результате вблизи перехода создаётся концентрация неосновных неравновесных носителей зарядов, которая во много раз превышает концентрацию неосновных равновесных носителей. Величина обратного тока определяется концентрацией неосновных неравновесных носителей зарядов: чем больше носителей, тем больше ток. Концентрация неосновных неравновесных носителей со временем уменьшается в результате рекомбинации и ухода через p-n переход. Через время неосновные носители исчезнут, и обратный ток уменьшится до указанного значения.

Туннельные диоды.

При изготовлении туннельных диодов применяют вырожденные полупроводники, которые имеют высокую концентрацию примесей. Вследствие этого p-n переход очень узок, его ширина имеет порядок 0,01мкм. В результате напряжённость электрического поля имеет

высокое значение (порядка 7 105 В/см). Электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости, не затрачивая энергии на преодоление запрещённой зоны. В этом случае электроны не преодолевают потенциальный барьер, а проходят сквозь него, как бы через «туннель». ВАХ туннельного диода изображена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Вольтамперная характеристика туннельного диода

При отсутствии внешнего напряжения ток через диод отсутствует. При увеличении обратного напряжения обратный ток возрастает. У туннельного диода отсутствует свойство односторонней проводимости.

При увеличении прямого напряжения ток через диод будет возрастать до некоторого максимального значения I макс. Затем ток через диод

начнёт падать до некоторого минимального значения I мин.

Объясняется это тем, что при увеличении напряжения с одной стороны увеличивается туннельный ток, с другой стороны уменьшается напряжённость электрического поля в p-n переходе. На этом участке ВАХ диод обладает отрицательным обратным сопротивлением. Термин «отрицательное обратное сопротивление» – удобное математическое определение и означает лишь, что на некотором участке характеристики при увеличении напряжения ток уменьшается. При дальнейшем повышении прямого напряжения туннельные свойства теряются.

Основные параметры туннельных диодов:

Пиковый ток I макс– прямой ток в точке максимума ВАХ. Ток впадины I мин– прямой ток в точке минимума ВАХ.

Напряжение пика U Iмакс – прямое напряжение, соответствующее

пиковому току.		U Iмин –	прямое	напряжение,
Напряжение	впадины

соответствующее минимальному току.

Напряжение раствора UP – прямое напряжение на второй

восходящей ветви при токе, равном пиковому.

Ёмкость диода C – суммарная ёмкость p-n перехода и корпуса при заданном напряжении смещения.

Важной особенностью туннельного диода является его работа на частотах до порядка 100Ггц и более широкий диапазон рабочих температур. Первая особенность связанна с низким временем

туннельного перехода электронов (10 12 с). Вторая особенность связанна с низкой потребляемой мощностью (порядка 1% мощности, потребляемой обычным полупроводниковым диодом).

Методические указания к проведению работы

Перед включением стенда и проведением измерений, ручки регулировки напряжения источников питания необходимо вывести в крайнее левое положение!

Исследование вольтамперной характеристики кремниевого, германиевого выпрямительных диодов и стабилитрона.

При прямом включении диода на его анод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рис.14, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е1. Ток протекающий через исследуемый диод измеряется амперметром PА1. Напряжение на диоде измеряется вольтметром PV1. Ограничительное сопротивление Rогр предохраняет исследуемый диод от пробоя.

Rогр

PА1

100

+

Е1 –

VD PV1

Рис.14. Схема измерения при снятии прямой ветви ВАХ

При снятии характеристики, регулируя напряжение источника Е1, устанавливается напряжение на диоде в соответствии с табл.1. и записывается значение тока через диод, измеренное амперметром PА1.

В соответствии с монтажной схемой, представленной на рис.15, соберите схему измерений. Установите пределы измерений амперметра

– 20 мА, вольтметра – 2 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметра (PV1) и амперметра (PA1) установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным

напряжением источника E1 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

100

Рис.15. Схема соединений для снятия прямой ветви ВАХ

Проведите измерения прямой ветви ВАХ для кремниевого и германиевого диода и стабилитрона. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

U, В

0

0,1 0,2 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

Iд,мА Д814А

Iд,мА FR307

Iд,мА 1Д507А

При обратном включении диода на его катод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рис.16, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е2.

VD

	Rогр
PА2	100
	+
PV2	–	Е2

Рис.16. Схема измерения при снятии обратной ветви ВАХ

Проведите измерения обратной ветви ВАХ для кремниевого и германиевого диодов и стабилитрона. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 2

U, В

0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20

Iд,мА Д814А

Iд,мА FR307

Iд,мА 1Д507А

По данным таблиц постройте ВАХ диодов при прямом и обратном включении на одном графике. Определите по графикам, какой диод является германиевым, а какой кремниевый, так же определите стабилитрон.

Iпр , мА

50

40

30

20

10

−20 −18 −16 −14 −12 − 10 −8 −6 −4 −2												Uпр , В
Uобр , В		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
		−1

−2

−3

−4

−5

Iобр , мкА

Исследование переходной характеристики импульсного диода.

Соберите измерительную схему согласно рисунку. 17.

Рисунок 17 – Измерительная схема №3