Исследование характеристик полупроводниковых

ДИОДОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является:

• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;

• исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона; • исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

 

СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов [1, с.20-42.],

• ВАХ полупроводниковых приборов. [1, с. 23-25, 33-36.],

• схемы включения полупроводниковых диодов [1, с. 22, 34-35.],

• принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей [1, с. 321-328.].

Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) р-n-переходов, называется диодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-n-переходов, например, явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т.д.

Выпрямительный диод

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции выпрямительные полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь р-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30А). Точечные диоды имеют малую площадь р-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15000В.

Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через р-n-переход от температуры.

Сплавные диоды обычно используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U на переходе описывается уравнением Эберса-Молла:

 

I = I_S (e^{U / ϕ T} −1 ), (1.1)

 

где I_S – обратный ток насыщения диода, а ϕ_Т – тепловой потенциал.

Поскольку для полупроводниковых материалов при Т=300К тепловой потенциал ϕ_Т = 25 мВ, то уже при U = 0,1В можно пользоваться упрощенной формулой:

I = I SeU / ϕ T. (1.2)

 

Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

 

DU dI

rДИФ =. (1.3)

Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:

 

1 = dI = 1 (I + I_S ) или r_ДИФ = ϕ _T ^. (1.4) rДИФ dU ϕ T I + I S

 

При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток составляет от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:

 

I = ^I _S e(U − IR) / ϕ _T , (1.5)

 

где R – сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

На рис.1.1.а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура – на рис. 1.1. б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области n - катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рис. 1.1.в.

А

К

p

n

А

К

U

I

U

ПР

I

ПР

U

ОБР

I

ОБР

VD

0

а) б) в)

 

Рис. 1.1. Условное обозначение (а),структура (б) и статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода:

 

Стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении p-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. На рис. 1.2 (а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 1.2в приведена типовая ВАХ.

Рис

.1.2

.

Схематическое

изображение

стабилитронов

(а – односторонний, б - двухсторонний) и их ВАХ (в):

U_СТ – напряжение стабилизации

 

Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона составляет примерно 10мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают ограничительное сопротивление R_Б (рис.1.3.а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рассеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.

 

RБ RБ

U

СТ

VD

R

Н

U

ВХ

U

СТ

VD

R

Н

U

ВХ

а) б)

 

Рис.1.3. Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б):

R_Б – балластный резистор, U_ВХ – входное напряжение,

R_Н – сопротивление нагрузки

 

Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на p-n-переходе составляет, как правило, 0,7В...2 В, поэтому, стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление R_Б (рис.1.3б).

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – это параметр, который характеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя:

ΔUСТ

rДИФ =. (1.6)

ΔI_СТ

 

На рис. 1.4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.