Лабораторная работа № 1 по дисциплине «Электроника» Вариант № 12

Тема: Построение характеристик и расчёт параметров полупроводниковых диодов

Цель работы: изучить конструкцию, характеристики и параметры реальных полупроводниковых диодов; ознакомиться с классификацией и основными типами полупроводниковых диодов, их маркировкой, условными графическими обозначениями в схемах и направлениями применения; освоить методику построения и анализа вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов с помощью программного пакета Ltspice.

Оборудование и программное обеспечение: персональный компьютер, программный пакет Ltspice.

Задание: с помощью программного приложенияLtspice для заданного типа диода:

• построить прямую и обратную ветви ВАХ;

• на основании прямой ветви ВАХ рассчитать и построить графики зависимости статического и динамического сопротивлений диода от прямого напряжения на p-n– переходе (для 10 значений прямого напряжения);

Основные сведения:

Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий р–n-переход, называется полупроводниковым диодом. Существуют разные виды полупроводниковых диодов – выпрямительные, импульсные, обращенные, туннельные, лавинно-пролетные, опорные или зенеровские (стабилитроны), с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий в режиме

электрического пробоя. Такой режим возникает при смещении р–n-переходав обратном направлении. На рисунке 1, а, б показано его условное графическое изображение и вольт-амперная характеристика.

Рисунок 1 – Схематическое изображение (а) и вольт–амперная характеристика (б) стабилитрона

При достижении на стабилитроне напряжения, называемого

напряжением стабилизации Uст, ток, проходящий через стабилитрон, резко

возрастает и изменяется в широких пределах, а напряжение на стабилитроне

остается почти постоянным. Эта особенность полупроводниковых

стабилитронов широко используется для стабилизации напряжения.

При подаче на стабилитрон прямого напряжения вольт-амперная

характеристика его имеет тот же вид, что и у выпрямительного диода. В качестве основного материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний, обеспечивающий малую величину обратного тока (тока насыщения). В отличие от выпрямительных диодов в стабилитроне p- и n-области сильно легированы. Это приводит к тому, что p–n-переход имеет малую ширину, а напряженность электрического поля в нем высокая и при приложении даже небольшого обратного напряжения возникает электрический пробой.

Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может быть туннельным, лавинным или смешанным. Считается, что в низковольтных стабилитронах (до 5 В) преобладает механизм туннельного пробоя, а встабилитронах, работающих при напряжениях выше 8 В, пробой имеет лавинный характер.

Туннельный пробой возникает в случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера (p–n-перехода) сравнима с дебройлевской длиной волны электрона и становятся возможны туннельные переходы электронов с заполненных энергетических состояний в зоне проводимости на свободные состояния в валентной зоне.

Лавинный пробой возникает в сильном электрическом поле, действующем в области p–n-перехода, когда электрон на длине свободного пробега набирает энергию, равную или большую ширины запрещенной зоны, и ионизирует атом собственного полупроводника. В результате рождается пара электрон – дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. К параметрам стабилитрона, определяемым по его ВАХ (рисунок 1,б),относятся:

Uст.ном – номинальное напряжение стабилизации, измеренное при

некотором среднем (номинальном) токе стабилитрона Iст.ном;

Uст.min – минимальное напряжение стабилизации, измеренное в начале

прямолинейного участка обратной ветви ВАХ;

Iст. min – минимальный ток, при котором измеряется Uст.min;

Uст.max – максимальное напряжение стабилизации при токе Iст.max;

Iст.max – максимально допустимый обратный ток стабилитрона, ограниченный предельно допустимой мощностью рассеяния на стабилитроне Рст.max.

При токе, не превышающем Iст.max, стабилитрон может работать неограниченно долго. Значение предельно допустимой рассеиваемой мощности для полупроводниковых стабилитронов находится в диапазоне от сотен милливатт до единиц ватт. Один из важнейших параметров стабилитрона – дифференциальное

сопротивление – характеризует наклон его ВАХ в области пробоя:

rд = dUст/dIст при Iст= const. (1.1)

Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к нулю, в реальных приборах величина rд имеет значение 2–50 Ом.По ВАХ стабилитрона находится также его статическое

сопротивление: Rст = Uст /Iст. Влияние температуры на характеристики стабилитрона оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН), который соответствует изменению напряжения стабилизации Uст при изменении температуры на 1 градус, т. е.

ТКН = ΔUст / (Uст⋅ΔT) (1.2)

В стабилитронах с туннельным пробоем ТКН может принимать значения от 10–5 до 10–3 К–1. Стабилитроны, работающие на основе лавинного пробоя, имеют положительный ТКН. Основное назначение полупроводниковых стабилитронов –стабилизация напряжения в различных электронных схемах. Простейшая схема параметрического стабилизатора напряжения показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема включения стабилитрона:Rб– балластное (ограничительное) сопротивление, Uст– выходное стабилизированное напряжение

Так как нагрузка включена параллельно стабилитрону, то в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом. Все изменения (пульсации) напряжения (ЭДС) источника E поглощаются балластным (ограничительным) резистором Rб. Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда входное напряжение источника Евх нестабильно (рисунок 3), а сопротивление нагрузки Rн постоянно.

Рисунок 3 – Эпюр изменения входного напряжения (ЭДС) источника

Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rб должно иметь определенное значение. Обычно сопротивление Rб рассчитывают для среднего значения тока стабилитрона. Если входное напряжение меняется от Еmin до Emax, то балластное сопротивление можно найти по формуле

Rб= (Еср−Uст) /(Iср+ Iн) , (1.3)

где Еср= 0,5⋅(Еmin+ Emax) – среднее значение напряжения источника; Iср= 0,5⋅(Imin+ Imax) – средний ток стабилитрона; Iн= Uст/Rн– ток через нагрузку.

Если напряжение источника изменится в ту или другую сторону, то изменится и ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке останется постоянным.

Поскольку все изменение напряжения должно поглощаться балластным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения

ΔЕ=Emax – Еmin должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока Imax – Imin, при котором еще сохраняется стабилизация. Отсюда следует, что стабилизация возможна только при соблюдении условия:

ΔЕ ≤ (Imax – Imin )⋅Rб. (1.4)

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е связана с увеличением сопротивления Rб. Из (5.13) следует, что большее сопротивление Rб получается при меньшем токе нагрузки Iн, т. е. при большем сопротивлении нагрузки Rн и большем среднем значении ЭДС источника Еср, поэтому увеличение RниЕср также обеспечивает расширение диапазона стабилизации ΔЕ.

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации Кст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе:

(1.5)

Второй возможный режим стабилизации, когда входное напряжение источника стабильно, а сопротивление нагрузки меняется от Rнminдо Rнmах. Для такого режима сопротивление балластного резистора Rб можно определить по формуле

Rб= (Е - Uст) /(Iср+ Iн.ср.) , (1.6)

где Iнср.= 0,5⋅(Iнmin+ Iнmax), Iнmin = Uст /Rнmax и Iнmax = Uст /Rнmin.

Дифференциальное сопротивление р-n-перехода:

(1.7)

где и–величины силы тока при прямом и обратном смешенияхр-n-перехода соответственно.

Контактная разность потенциалов р-n-перехода:

(1.8)

где – термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника p-типа проводимости; – термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника n-типа проводимости (рис.5.2,а); N_a, N_d– концентрация акцепторов

и доноров соответственно.

Выражение для диффузионной емкости p-n-перехода имеет вид:

(1.9)

Если , тои соотношение (18) принимает вид:

. (1.11)