Задача №2
Задание:
По исходным данным (табл.2) рассчитать параметры нелинейной модели диода.
Рисунок З. Нелинейная модель диода
Характеристика параметров нелинейной модели.
Статические параметры:
rб – объёмное сопротивление базы диода,
I(U ) - нелинейный источник тока, управляемый напряжением, Еут - сопротивление утечки (обратное сопротивление перехода, rут ≫ rб.
Динамические параметры:
Сдиод – полная ёмкость р-n перехода диода (замедляет процесс переключения диода под воздействием прямого и обратного напряжения); Сдиод = с_бар + с_диф;
с_бар – барьерная ёмкость перехода (обусловлена наличием неподвижных зарядов – ионов – в области перехода, она является функцией обратного напряжения Uобр: сбар = f(Uобр) и увеличивает время включения диода tф (рис.4) при приложении к диоду прямого напряжения Uа, с_диф – диффузионная ёмкость перехода (обусловлена наличием избыточного заряда Qб в базе диода, накапливаемого под действием прямого тока I а: с_диф = f(I а), она увеличивает время восстановления t_вос (параметр диода, см.п.1) высокого обратного сопротивления диода при приложении к диоду Uобр), т.е. увеличивает время выключения диода tвыкл = tP + tВОС (tP – время рассасывания носителей заряда в базе диода), рис.4.
Исходные данные к расчёту:
Принципиальная схема: электрическая цепь, состоящая из последовательно включённых диода D, резистора R (R = 0,5k для всех вариантов задания) и источника двуполярных прямоугольных импульсов, временные диаграммы которого Uвх (t) представлены на рисунках 4 и 7а.
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Временные диаграммы тока через диод I d (t) и напряжения на диоде Ud (t). Вид графика определяется из таблицы 2 в соответствии с номером Вашего шифра
Методика расчёта
1. Изобразить на рисунке, в соответствии с описанием, заданную принципиальную схему, присвоить рисунку номер 6.
2.Используя приведенные выше пояснения, выполнить расчёт параметров нелинейной модели диода по следующим формулам: rбо = Uм/I а rб = ∆U/ I а
∆U - параметр импульса, показанный на графике Ud (t ), который выдан Вам в качестве задания, а также на рисунке 4.
Кроме того, rб = rбо /(1+h × rбо × Qб), (1.2)
гдеh - коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен диод и от конструкции диода : (h =( µp+µn)/W^2; µp, µn - подвижность дырок и электронов соответственно; W - ширина базы (W < 1 mkm);
rбо - мгновенное сопротивление базы при переключении диода из закрытого в открытое состояние; h× rбо - коэффициент накопления избыточных носителей в базе диода; Qб - заряд избыточных носителей в базе диода, накаливаемый под действием прямого тока Ia: Qб = τб× Ia ;
τб - время жизни не основных носителей в базе диода; τб = tр /(In(1+Im1/Im2))
tр , Im1, Im2, tвос - параметры , показанные на рисунке 4 и на тех рисунках, которые выданы Вам в качестве задания.
Рисунок 4. Временные диаграммы при двуполярном напряжении на диоде.
(поясняют условные обозначения параметров в графиках, выданных в качестве исходных данных для расчёта параметров нелинейной модели)
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Пример №2
Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода, которые используются в расчёте параметров нелинейной модели диода в данном примере, представлены на рисунке 5а,б. Временные диаграммы напряжения UВХ (t ) показаны на рисунке 7,а.
а) Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода
б) График для определения ∆U
в) ВАХ диода
Рисунок 5. ВАХ и временные диаграммы диода к примерам №1, №2
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Алгоритм расчёта элементов нелинейной модели диода
- объёмное сопротивление базы
- время жизни не основных носителей в базе диода
- заряд избыточных носителей в базе диода, накаливаемый под действием прямого тока
(можно проверить
по формуле (1.2) значение
rбо
в данном примере
значение rбо
= 15, те. совпадает с вычисленным по
графику)
- диффузионная ёмкость
Определение обратного тока и температурного потенциала: I0, n×φT соответственно – нужно выполнять по методике, приведенной в приложении Д1, п.1.
Следует обратить внимание, что при построении ВАХ в полулогарифмическом масштабе нужно брать несколько точек на начальном участке ВАХ. В данном случае оказалось достаточным 4-х точек (логарифмы токов ln I для которых соответственно равны: -11.5, -10.5, -9.796, -9.17) . Эти точки составили 2 линейных участка. В результате получены значения n × φT – 25.9 мВ, 24.5 мВ I0 – 22.26 мкА.
- барьерная ёмкость
Где R — сопротивление нагрузки диода при подключении генератора прямоугольных импульсов; для всех вариантов R = 0,5к
Далее приведены графики вариантов заданий (рисунки 7 ÷ 11).
На графиках
в единицах измерения параметров: тока,
напряжения, времени - буквы m
10-3;
u
10-6;
n
10-9
(m
—мили; u —
микро и т.д.).
а) Временные диаграммы напряжения UВХ (t )
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
б) Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода
в) График для определения ∆U
г) ВАХ диода
Рисунок 7. ВАХ и временные диаграммы диода
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
а) Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода
в) ВАХ диода
Рисунок 8. ВАХ и временные диаграммы диода
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
в) График для определения ∆U
г)
ВАХ диода
Рисунок 9. ВАХ и временные диаграммы диода
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
а) Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода
в) График для определения ∆U
г) ВАХ диода
Рисунок 10. ВАХ и временные диаграммы диода
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Временные диаграммы напряжения Ud (t ) и тока Id (t ) диода
б) График для определения ∆U
в) ВАХ диода
Рисунок 11. ВАХ и временные диаграммы диода
Полупроводниковые диоды и стабилитроны
Определить I — диода U— диода для любого варианта