Eng Ru
Отправить письмо

Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля). Вах диод


Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля)

 

Основные параметры полупроводниковых приборов

 

1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (IПР. СР.)

- это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.

Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.

По прямому току диоды делятся на три группы:

1) Диоды малой мощности (IПР.СР < 0,3 А)

2) Диоды средней мощности (0,3 <I ПР.СР <1 0 А)

3) Диоды большой мощности (IПР.СР > 10 А)

Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)

Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)

 

2. Постоянное прямое напряжение (Uпр.)

Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока.

Проявляется особенно при малом напряжении питания.

Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)

Uпр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые) Uпр. Si ≈ 0.5÷1 В (Кремниевые)

Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д) Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)

 

3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (Uобр. max)

Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) Uобр. max ≈ 0.7UЭл. пробоя (10÷100 В)

Для мощных диодов Uобр. max= 1200 В.

Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -Uобр. max= 1200 В)

 

4. Максимальный обратный ток диода (Imax ..обр.)

Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).

Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.

 

5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.

 

 

 

1. Iпр max ↑ ≤30 А

2. Uпр max ↓ ≤1.2 В

3. Uобр max ≤1600

4. Iобр max <100мА

 

Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока и температуры и применяется в диапазоне для германиевых диодов, и для кремниевых .

Обратный ток , протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении приближается к некоторому постоянному значению (с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).

Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет ; кремниевых диодов .

В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям и ВАХ диода. Расчет производится по формуле .

В формуле две неизвестных . Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:

, т. А на рисунке.

, что соответствует т. Б.

Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.

Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: - максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; температурные параметры.

Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n-перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты ( ) в постоянное. Они подразделяются на диоды

  • малой ,
  • средней
  • большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

  • Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
  • Максимальным током в прямом направлении;
  • Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
  • Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
  • Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
  • Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е . . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение позволяет при заданном значении увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.

Для выпрямления высоких обратных напряжений применяются выпрямительные столбы, в которых диоды включаются последовательно.

Последовательное соединение диодов используется, если максимально допустимое обратное напряжение одного диода меньше напряжения, которое нужно выпрямить.

, где - число диодов; , - действующее значение; - коэффициент нагрузки.

, где 1.1 –коэффициент, учитывающий 10% разброс значений сопротивления по напряжению .

Из-за разброса этого параметра с тем, чтобы обратное напряжение более равномерно распределялось между диодами, диоды шунтируются резисторами с одинаковыми значениями сопротивлений, каждое из которых значительно наименьшего из обратных сопротивлений диодов, но достаточно большим, чтобы не вызвать рост обратного тока. Обычно это значение выбирается в пределах от нескольких десятков до сотен кОМ.

Например, Uн = 624В, а диод имеет следующие справочные данные: Uобр max = 400В, Iобр max = 5μА. Это параметры, которым должны удовлетворять все диоды данного типа, то есть наихудшие. Более качественный диод данного типа вполне может иметь меньший обратный ток (например, 1μА). Рассчитаем величину обратных соединений диодов:

R1 обр = 80МОм

R2 обр = 400Мом, при этом U1 обр = 104В, U2 обр = 520В> Uобр max, то есть второго, лучший диод выходит из строя.

Рассчитав по формуле = 8МОм и включив параллельно каждому из диодов резисторы, рассчитанного сопротивления, получим R\обр = 727Мом, при U\1 обр = 301В, U\2 обр = 323В< Uобр max.

Иногда в электрических схемах применяют параллельное соединение диодов для получения прямого тока, значение которого больше предельного значения тока одного диода.

Из-за разброса ВАХ диоды по току получают различную нагрузку. Поэтому для выравнивания значений токов, протекающих через них, применяют уравнительные добавочные резисторы, на которые падает излишнее напряжение. Практически параллельное соединение более 3-х диодов не применяется.

, где - среднее падение напряжения на диоде с прямым включением; Необходим ток для компенсации напряжения на втором диоде.

Например, есть диоды со следующими данными, взятыми из справочника.

Рассчитываем

Для другого, лучшего диода этого типа (на переходе падает 0,6В и 0,07 на p и n областях), а значит .

Получаем: и лучший диод выходит из строя.

и получаем . При этом

Используется редко из-за большой потери мощности и относительно невысокого КПД.

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей. Диоды в схемах выпря-

мителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в

нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется

однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.

 

 

 

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

 

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

 

 

Основными параметрами стабилитронов являются:

Uст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

Iст min - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

Iст max максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

Rст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: Rст =DU/DI

ВАХ стабилитрона ВАХ стабилитрона

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

Принцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором Rогр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: (чем меньше, тем лучше)

Статическое сопротивление:

Коэффициент качества: =0,01 – 0,05

Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

 

Стабисторы - это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН при условии непревышения тока самого слаботочного из них

Напряжения при этом складываются. Согласное параллельное включение не используется. Встречное параллельное и последовательное включение позволяет получить при необходимости разные уровни ограничиваемого напряжения для разных полярностей переменного тока, протекающего через нагрузку.

 

Варикапы - п/п нелинейный управляемый конденсатор, сконструированный таким образом, чтобы потери в диапазоне рабочих частот были минимальными. В варикапах используется свойство p – n перехода изменять свою барьерную емкость под действием внешнего запирающего нарпяжения. Диффузионная ёмкость в связи с её зависимостью от температуры и частоты, а главное с тем, что она шунтирована низким сопротивлением прямосмещённого р-n перехода использовать не представляет возможным. Барьерная ёмкость при обратном смещении р-n перехода широко используется. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.

Добротность:

 

Применяют в электронных устройствах для настройки частоты параллельных колебательных контуров, в избирательных усилителях и генераторах (например, с целью выбора телевизионных и радиопрограмм).

Тоннельные диоды – диоды, в основе которых использован туннельный эффект. Любой двухполюсник, имеющий на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор, но не оправдали надежд, так как подвержены временной деградации.

Тоннельный эффект. Тоннельный эффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется на p-n переходе в вырожденных полупроводниках.

Вырожденный полупроводник – это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси. (Концентрация – 1024 атомов примеси на 1 куб. см. полупровод-

ника).

В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотые доли микрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет Ep-n ≈ 108 B/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носители заряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой его ширины как бы механически пробивают в нём тоннели, через которые проходят другие носители зарядов. Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будет иметь три составляющие:

I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр., где Iт.пр. – прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямом включении;

Iт.обр. – обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;

Iпр. – прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика p-n перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид, изображённый на рисунке .

 

 

На участке АВ прямой тоннельный ток уменьшается за счёт снижения потенциального барьера и в точке В он становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счёт этого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффекта является то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательное динамическое сопротивление:

 

Тоннельный эффект применяется в тоннельных диодах, которые используются в схемах генераторов гармонических колебаний и как маломощные бесконтактные переключающие устройства.

Обращенные диоды – разновидность туннельных, не имеющие на ВАХ участки отрицательного дифференциального сопротивления, используются для выпрямления малых сигналов (за счет большой крутизны обратной диодной характеристики).

 

Диод Шоттки – диод, полученный путём металлизации p-проводника. У него отсутствует Сдиф, что позволяет увеличить быстродействие диода на порядок, имеет малое прямое напряжение (Uпр < 0,3В), но имеет большие обратные токи (сотни мА) и малое пробивное напряжение (<200В).

Образование перехода Шоттки.

Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник.

При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при каких условиях - наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси.

В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металл полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшее поле будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки (открыт в 1934 году).

Прямое и обратное включение диодов Шоттки.

Если приложить внешнее напряжение плюсом на металл, а минусом на полупроводник, возникает внешнее электрическое поле, направленное навстречу полю перехода Шоттки. Это внешнее поле компенсирует поле перехода Шоттки и будет являться ускоряющим для электронов полупроводника. Электроны будут переходить из полупроводника в металл, образуя сравнительно большой прямой ток. Такое включение называется прямым. При подаче минуса на металл, а плюса на полупроводник возникает внешнее электрическое поле, сонаправленное с полем перехода Шоттки. Оба этих поля будут тормозящими для электронов полупроводника, и будут отбрасывать их от границы раздела. Оба этих поля будут ускоряющими для электронов металла, но они через границу раздела не пройдут, так как у металла больше работа выхода электрона. Такое включение перехода Шоттки называется обратным.

Обратный ток через переход Шоттки будет полностью отсутствовать, так как в металле не су-

ществует неосновных носителей зарядов.

Достоинства перехода Шоттки:

- отсутствие обратного тока;

- переход Шоттки может работать на СВЧ;

- высокое быстродействие при переключении из прямого состояния в обратное и наоборот.

Недостаток – стоимость. В качестве металла обычно применяют золото.

 

В качестве генераторных и усилительных диодов на СВЧ могут так же использоваться лавинно-пролетные диоды и диоды Гана, которые в последнее время были вытеснены арсенид галлиевыми СВЧ полевыми транзисторами за счет их лучших шумовых и усилительных характеристик.

Эффект Гана проявляется в полупроводниках n-типа проводимости в сильных электрически

полях.

 

 

Участок ОА – линейный участок, на котором соблюдается закон Ома. Участок АВ – при срав-

нительно больших напряжённостях электрического поля уменьшается подвижность электро-

нов (показывает, как легко электроны проходят сквозь кристаллическую решётку проводника)

за счёт увеличения амплитуд колебания атомов в узлах кристаллической решётки. И за счёт

этого рост тока замедляется. Участок ВС – сильное уменьшение подвижности электронов, что

приводит к уменьшению тока. Участок CD – при очень больших напряжённостях значительно

увеличивается генерация носителей зарядов и, хотя подвижность электронов уменьшается, ток

возрастает за счёт увеличения количества зарядов.

Сущность эффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряжённость

электрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, т. е. на участке ВС характеристики, то

в полупроводнике возникнут электрические колебания сверхвысокой частоты (СВЧ).

Эффект Гана применяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы

СВЧ.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Исследование ВАХ диода при различных температурах.

Транскрипт

010812. Исследование ВАХ диода при различных температурах. Цель работы: Исследовать ВАХ диода при различных температурах. Соединительные провода с наконечниками Ш4-Ш4 1 шт.

1 Исследование ВАХ диода при различных температурах. Цель работы: Исследовать ВАХ диода при различных температурах. Требуемое оборудование, входящее в состав модульного учебного комплекса МУК-ТТ2: 1. Измеритель статических характеристик ИСХ1 1 шт. 2. Стенд с объектами исследования С3-ТТ03 1 шт. 3. Соединительные провода с наконечниками Ш4-Ш4 1 шт. Краткое теоретическое введение Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, состоящий из одного или нескольких p-n переходов и двух выводов. В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n переходе различают следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы. Низкоомный р-слой, содержащий много основных носителей тока, называют эмиттером, а более высокоомный n-слой называют базой. На рис. 1 представлены структуры планарноэпитаксиального (а) и сплавного (б) диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь. а) б) Рис. 1 1

Соединительные провода с наконечниками Ш4-Ш4 1 шт. Вольт-амперная характеристика диода. Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ).

2 Вольт-амперная характеристика диода. Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). ВАХ представляет собой зависимость тока во внешней цепи p-n перехода от значения и полярности прикладываемого к нему напряжения. Для идеального p-n перехода ВАХ описывается следующей зависимостью (пунктирная кривая на рис.2): где I 0 обратный (или тепловой) ток; q заряд электрона; k Дж/К T температура. Рис. 2 В прямом смещении ВАХ (U>0) реального диода (сплошная кривая на рис.2) близка к экспоненциальной только в начале зависимости - участок ОА, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы r б p-n перехода. Ток, протекая через r б, создает падение напряжения: При этом внешнее напряжение не полностью падает на p-n переходе, а распределяется между ним и слоем базы. С учетом этого уравнения реальная ВАХ принимает вид: (2) Таким образом, влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p- n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше r б, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального перехода. (3) 2

Для идеального p-n перехода ВАХ описывается следующей зависимостью (пунктирная кривая на рис.2): где I 0 обратный (или тепловой) ток; q заряд электрона; k 1.38 10-23 Дж/К T температура. Рис. Как правило, p-n переходы с большими значениями r б выполняются для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

3 Как правило, p-n переходы с большими значениями r б выполняются для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе. В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объѐме полупроводника, т.к. r б всегда много меньше сопротивления объемного заряда обратносмещенного перехода (за исключением области пробоя). Отличия реальной обратной ветви ВАХ (U<0) p-n перехода от идеальной состоят в следующем: обратный ток реальной ВАХ растет при увеличении обратного напряжения p-n перехода и имеет значение, не равное I о. Данная зависимость приведена на рис.2 (сплошная кривая). Это объясняется тем, что в реальном p-n переходе обратный ток содержит несколько составляющих: I обр = I о + I тг + I у, (4) где I тг - ток термогенерации в области p-n перехода I у - ток утечки. Ток термогенерации I тг вызван тепловой генерацией носителей внутри p-n перехода. Он увеличивается с ростом обратного напряжения, так как происходит расширение p-n перехода. Ток утечки I у возникает в местах выхода p-n перехода на поверхность. При современной технологии изготовления p-n перехода I у имеет незначительную величину. Температурная зависимость ВАХ При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов, энергия основных носителей заряда возрастает, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается (рис. 3). Иначе говоря, при большей температуре p-n-перехода тот же прямой ток достигается при меньшем смещении. Рис. 3 Для оценки влияния температуры вводится температурный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая, на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус. 3

, т.к. r б всегда много меньше сопротивления объемного заряда обратносмещенного перехода (за исключением области пробоя). При больших прямых токах нельзя пренебречь сопротивлением базы, которое увеличением температуры растет из-за снижения подвижности свободных носителей заряда. При малых токах характеристика смещается с ростом T влево, а при больших токах (где влияние базы сильнее) вправо. Это приводит к резкому возрастанию с температурой концентрации неосновных носителей в n- и p-областях перехода и, следовательно, к увеличению тока насыщения (рис.

4 При больших прямых токах нельзя пренебречь сопротивлением базы, которое увеличением температуры растет из-за снижения подвижности свободных носителей заряда. Таким образом, результирующая ВАХ диода при прямом смещении сложным образом зависит от T. При малых токах характеристика смещается с ростом T влево, а при больших токах (где влияние базы сильнее) вправо. С ростом температуры увеличивается скорость тепловой генерации электронно-дырочных пар во всех областях p-n перехода. Это приводит к резкому возрастанию с температурой концентрации неосновных носителей в n- и p-областях перехода и, следовательно, к увеличению тока насыщения (рис.3 при U<0) и ухудшению выпрямляющих свойств диода. Следует отметить, что при некоторой температуре концентрации основных носителей становится приближенно равной концентрации неосновных носителей, и переход исчезает совсем. Зависимость ВАХ от материала полупроводника. Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полупроводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рис. 4. Главная причина отличия ВАХ p-n переходов это различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов к. В p-n переходе на основе германия к = (0,3 0,4) В, в p-n переходе на основе кремния к = (0,6 0,8) В. Поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,3 0,5) В. Рис. 4 Следует отметить, что обратный ток кремниевых p-n переходов много меньше обратного тока германиевых p-n переходов. Это связано с различием ширины запрещенной зоны: Wз Ge = 0,72 эв; Wз Si = 1,12 эв. Ток насыщения определяется в основном неосновными носителями заряда, имеющими место в примесном полупроводнике. Так, например, в полупроводнике n-типа это дырки p n, концентрация которых определяется в соответствии с законом действующих масс: 2 p n = n i / n n. Известно, что n i Ge см -3, а n i Si см -3. При равной концентрации примеси получаем, что концентрация неосновных носителей заряда в кремниевом полупроводнике на шесть порядков меньше, чем в германиевом примесном полупроводнике, поэтому ток I о в кремниевом p-n переходе пренебрежимо мал. Обратный ток германиевого p-n перехода включает следующие составляющие: I обр Ge I о +I у,а обратный ток кремниевого p-n перехода - I обр Si I тг +I у. Для германиевых p-n переходов обратный ток в основном определяется током насыщения и имеет величину десятки микроампер. 4

При малых токах характеристика смещается с ростом T влево, а при больших токах (где влияние базы сильнее) вправо. Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки.

5 Ток термогенерации у них мал и им обычно пренебрегают. Незначительный наклон обратной ветви ВАХ германиевых p-n переходов обусловлен током утечки. Обратный ток кремниевого p-n перехода примерно на три - четыре порядка меньше обратного тока германиевого перехода и определяется током термогенерации, т.е дрейфовым током неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в самом p-n переходе. I тг увеличивается с ростом обратного напряжения, так как происходит расширение p-n перехода. Ток термогенерации невелик из-за малого объема p-n перехода, ток утечки при современной технологии изготовления p-n перехода имеет незначительную величину. Отсюда в целом обратный ток кремниевого p-n перехода имеет небольшое значение, по сравнению с обратным током германиевых p-n переходов При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде значительно меньше, чем в германиевом. Методика проведения эксперимента Особенности измерения статических ВАХ полупроводниковых приборов. Для измерения статических ВАХ полупроводниковых диодов имеет значение выбор схемы включения измерительных приборов. На рис. 5 представлены две возможные измерительные схемы. а) б) Рис. 5 Если внутренне сопротивление амперметра равно нулю, а внутреннее сопротивление вольтметра стремиться к бесконечности, то эти две схемы идентичны. При работе с реальными измерительными приборами эти условия не выполнимы. Схему рис. 5а принято применять в случае, если внутреннее сопротивление вольтметра намного больше сопротивления исследуемого полупроводникового прибора (например, диод в прямом смещении). Схему рис. 5б принято применять в случае, если внутреннее сопротивление амперметра намного меньше сопротивления исследуемого полупроводникового прибора (например, диод в обратном смещении). При составлении измерительной схемы очень важно правильно соблюсти полярность генератора и измерительных приборов, а так же учесть их возможную электрическую связь друг с другом (гальванически развязаны, имеют общую «землю» или какое-то сопротивление связи). Особенности измерения статических ВАХ полупроводниковых приборов с помощью прибора ИСХ1. Исследование вольт-амперных характеристик диода производится с помощью модульного учебного комплекса МУК-ТТ2 рис. 6, в состав которого входит измеритель статических характеристик ИСХ1. Он содержит в себе генератор испытательных сигналов, амперметр и два вольтметра. 5

е дрейфовым током неосновных носителей, возникающих в результате тепловой генерации в самом p-n переходе. I тг увеличивается с ростом обратного напряжения, так как происходит расширение p-n перехода. Прибор ИСХ1 позволяет проводить запись полученных данных на ЭВМ через СОМ-порт. Для этого необходимо воспользоваться программой управления прибором ish2.exe. Входное сопротивление вольтметров составляет 1 МОм, а сопротивление амперметра (в диапазоне с масштабным коэффициентом 10 ма/дел.) составляет 3 Ом.

6 Прибор ИСХ1 позволяет проводить запись полученных данных на ЭВМ через СОМ-порт. Для этого необходимо воспользоваться программой управления прибором ish2.exe. Генератор напряжения и вольтметры имеют общую «землю», а амперметр имеет сопротивление связи 1 МОм. Входное сопротивление вольтметров составляет 1 МОм, а сопротивление амперметра (в диапазоне с масштабным коэффициентом 10 ма/дел.) составляет 3 Ом. На экране измерителя ИСХ1 может отображаться одновременно ВАХ прямого и обратного смещения диода. По этой причине одна из характеристик в зависимости от выбора схемы включения будет отображаться с систематической погрешностью. Рекомендуется для исследования диода выбрать схему для обратного смещения рис. 7. В этом случае обратная ветвь будет отображаться корректно, а прямая - иметь ошибку Рис.6 определения падения напряжения на диоде не более 10%. Для тока 20 ма падение напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра составляет 3*20=60мВ. При этом прямое смещение диода составляет В. Исследование обратной ветви ВАХ необходимо осуществлять при больших температурах, т. к. исследуемый кремниевый диод КД212 при напряжении 15 В и комнатной температуре имеет обратный ток менее 1 мка. Рис. 7 Рекомендуемое задание 1..Подключите стенд С3-ТТ03 к измерителю статических характеристик ИСХ1 (разъем на задней панели) и соберите электрическую схему рис Включите прибор. Установите на приборе тип генерируемого сигнала (пилообразный). 3. Установите амплитуду выходного сигнала. 4. Получите на экране измерителя изображение прямой ветви ВАХ U=f(I) диода при t=30 С установив масштабные коэффициенты каналов I и U1. 5. Проведите аналогичные измерения при температурах, t=60 С, t=90 С и t=120 С. 6. Произведите аналогичные измерения для обратной ветви ВАХ при больших температурах t=90 С и t=120 С. 6

Входное сопротивление вольтметров составляет 1 МОм, а сопротивление амперметра (в диапазоне с масштабным коэффициентом 10 ма/дел.) составляет 3 Ом.

docplayer.ru

Определение прямой ветви вах диода

Из выше изложенного следует, что прямой максимальный ток Iпр. мах и обратное максимальное напряжение Uобр. макс являются определяющими факторами при выборе диода.

Теперь теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. В настоящей работе мы экспериментально проверим это свойство.

3.2.  Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном напряжении, когда на анод подают отрицательный потенциал, в режиме начинающегося пробоя. До этого режима через стабилитрон протекает незначительный ток утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей ома до сотен ом. Рабочим участком вольтамперной характеристики (режимом стабилизации) является участок обратной ветви, который почти параллелен оси токов (рис.2). Если ток стабилитрона превысит максимальный ток стабилизации возникнет необратимый электрический пробой, то есть стабилитрон сгорит.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 3 В до 400 В. Если менее 3 В их называют стабисторами и они работают на прямой ветви характеристики. В нашей работе используется стабилитрон на номинальное напряжение стабилизации 5,6 В.

Рисунок 3. ВАХ стабилитрона Рисунок 4. Стабилизатор напряжения    

В простейших (параметрических) стабилизаторах стабилизация напряжения Uн на нагрузке основана на свойстве стабилитрона сохранять постоянство напряжения при изменении (в определенных пределах) проходящего через него тока. Схема простейшего параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне изображена на рис.3. Если входное напряжение стабилизатора Uвx увеличится при неизменном сопротивлении нагрузки Rн из-за повышения напряжения сети, то в соответствии с вольтамперной характеристикой стабилитрона незначительное увеличение напряжения на нем приведет к значительному увеличению тока Iст, протекающего через стабилитрон. Следовательно, увеличатся ток потребляемый из сети 1б=Iст+Iн и падение напряжения IбRб на балластном сопротивлении Rб. На основании второго закона Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений цепи (Uн=Uвх – IбRб) и выходное напряжение Uн изменится незначительно.

При неизменном входном напряжении Uвx и увеличении тока нагрузки Iн, увеличится 1б, что увеличит падение напряжения IбRб на балластном сопротивлении Rб и, следовательно, уменьшит напряжение на стабилитроне. В соответствии с характеристикой стабилитрона уменьшится ток стабилитрона Iст, соответственно уменьшится IбRб и выходное напряжение Uн=Uвх – IбRб изменится незначительно.

Для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить условия, при которых ток стабилитрона не должен выходить за пределы рабочего диапазона I сm min + Icm mах. Поэтому величину балластного сопротивления выбирают из условия

где номинальный ток стабилизации,  Iн—ток нагрузки.

Коэффициент стабилизации характеризующий стабильность выходного напряжения Uн , при изменении входного напряжения Uвх показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменения напря — жения на входе:

,

где rД – дифференциальное сопротивление стабилитрона,

изменения соответствующих напряжений.

3.3.Принцип работы светоизлучающих диодов (светодиодов) основан на излучающей рекомбинации в объеме р-n перехода при инжекции (увеличении концентрации) неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения. В результате чего переход испускает электромагнитные волны в узком диапазоне спектра, которые могут находиться в световом (видимом) или инфракрасном (невидимом) диапазоне. Диапазон излучения светодиода зависит от химического состава использованных полупроводников (арсенид галия, галия фосфид, галия нитрид и другие).

Вольт-амперная характеристика светодиодов аналогична вах диода. Главные электрические характеристики светодиодов это номинальные напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан.

Примерные напряжения светодиодов в зависимости от цвета

Цвет излучения

Длинна волны, нм

Напряжение, В

Инфракрасные

Красные

Оранжевые

Желтые

Зеленые

Синие

Фиолетовые

Ультрафиолетовые

Белые

больше 760

610 — 760

590 — 610

570 — 590

500 — 570

450 — 500

400 — 450

короче 400

Широкий спектр

до 1.9

от 1.6 до 2.03

от 2.03 до 2.1

от 2.1 до 2.2

от 2.2 до 3.5

от 2.5 до 3.7

от 2.8 до 4

от 3.1 до 4.4

от 3 до 3.7

Светодиоды характеризуются и оптическими характеристиками: цвет свечения, яркость свечения, угол излучения.

Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры яркость может изменяться в 2-3 раза. Светодиоды обладают высоким быстродействием (наносекунды).

Правила подключения светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения. Плюс источника следует подключать к плюсу светодиода. Обратное допустимое напряжение светодиодов не велико и составляет несколько вольт, поэтому при неправильной полярности подключения они сгорают. Светодиодам важно не только правильная полярность подключения и нужное значение напряжения, но и оптимальная сила тока. Поэтому последовательно с ним всегда необходимо подключать резистор, который наклоняет прямую ветвь вах направо. Если это не сделать, то незначительное увеличение напряжения питания (сети) вызовет очень большое увеличение тока и светодиод сгорит. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс значительно сокращается.

Инфракрасные светодиоды используют для передачи информации на расстояние, например, для управления телевизором с пульта управления. Светодиоды видимого излучения используют для освещения и индикации различных состояний устройств.

Важными достоинствами светоизлучающих диодов является малая потребляемая мощность, высокая чистота цвета свечения, стабильность цвета свечения от времени наработки и температуры и конечно огромный срок службы — до 50 000 часов (лампы накаливания – 1000 часов, люминесцентные – 7000 часов).

4.  Порядок выполнения работы

4.1. Экспериментальное определение направления проводимости диода и его вольтамперной характеристики (ВАХ).

Известно устройство Keithley 2400, которое автоматически определяет ВАХ диода. Оно состоит из генератора пилообразного напряжения, измерителя тока и работает совместно с интерфейсом LabTracer и компьютером. Результат измерения представлен в цифровом и графическом виде.

Настоящая работа выполняется на лабораторном модуле «полупроводниковые приборы», представленном на рис.1, для чего собрать схему по рис.5. На схеме обозначены внешние компоненты: диод VD типа 2Д102Б и мультиметры один с пределом измерения 200 мА другой – 2 В.

Рисунок 5. Определение прямой ветви ВАХ диода

Установить значение сопротивления Rн равным нулю для чего переместить его движок в крайнее верхнее положение. Сопротивлением RP1 установить напряжение Uвх равное нулю переместив его движок в крайнее нижнее положение. Подать на клеммы «+,-» напряжение 12 В. Увеличивая Uвх сопротивлением RP1 установить ток в цепи 50 мА затем снижая его до нуля определить по показаниям приборов пять точек прямой ветви ВАХ. Результаты занести в таблицу 4.

fiziku5.ru

Некоторые особенности вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода

Любой электронный прибор работает в соответствии со своими характеристиками. Используя их при проектировании различных устройств любой сложности, можно составить математическую модель того или иного прибора. На этом принципе созданы программы, которые применяют математическое моделирование и позволяют увидеть работу электронной схемы на экране монитора. Они значительно помогают в разработке приборов. Подключая к различным узлам виртуальные вах диодаосциллографы, можно убедиться в работоспособности будущего изделия и при необходимости внести коррективы. На их базе можно не только научиться проектировать электронные устройства, но и изучить некоторые особенности в работе элементов, углубить свои теоретические знания. В качестве примера можно рассмотреть один из базовых элементов в электронике на основе вольт-амперной характеристики, в дальнейшем ВАХ диода. Эти приборы хороши тем, что существует несколько их видов. Все они с успехом применяются в электронных схемах. Данные устройства хорошо зарекомендовали себя за годы эксплуатации в аппаратуре самого различного назначения.

вах полупроводникового прибораВпервые такой элемент был собран в своем “ламповом ” варианте и достаточно долгое время использовался при конструировании разных схем. Такие приборы применяются в ламповых усилителях, которые до сих пор выпускают отдельные компании. ВАХ диода в этом случае описывается формулой Богуславского—Ленгмюра. Согласно этой формуле, ток протекающий через прибор, прямо пропорционален напряжению в степени три вторых, умноженному на коэффициент. Как видите, на начальном участке ВАХ диода имеется нелинейность. Эта кривая “выпрямляется” при достижении рабочей точки номинальных параметров.

Параметры полупроводникового прибора практически приближены к идеальным. Нелинейность на начальном участке зависит от материала, из которого изготовлен кристалл. Также большое значение имеет количество примесей, то есть качество сырья. ВАХ полупроводникового диода можно представить в виде кривой, которая изменяется приблизительно по экспоненциальному закону и имеет точку перегиба перед ее выходом на рабочую характеристику. В кремниевых образцах рабочая точка “ломается” на уровне 0,6-0,7 Вольт. Наиболее приближена к идеальному значению ВАХ диода Шоттки, здесь точка выхода на рабочую характеристику будет находиться в районе 0,2-0,4 Вольта. Но следует учитывать, что при напряжении более 50 Вольт это свойство пропадает.

Так называемый стабилитрон имеет кривую, “обратную” обычному элементу. То есть при повышении напряжения ток практически не появляется до достижения определенного порога, после чего лавинообразно нарастает.

диод вахПроизводители этих элементов стараются не указывать точные характеристики, так как они достаточно сильно отличаются даже в рамках одной партии. Кроме того, можно взять диод, ВАХ которого точно измерена в лаборатории и изменить его рабочую температуру. И характеристики изменятся. Обычно указываются некоторые пределы устойчивой работы электронного элемента в зависимости от условий его эксплуатации.

fb.ru

Вольт-амперная характеристика - диод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Вольт-амперная характеристика - диод

Cтраница 1

Вольт-амперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода.  [1]

Вольт-амперная характеристика диода ( рис. 38 - 6) показывает зависимость тока через диод от приложенного к нему напряжения.  [2]

Вольт-амперные характеристики диода - двухэлектрод-ной электронной лампы и полупроводникового диода были показаны на рис. 3.3 и 3.17, в. Диод, у которого можно пренебречь обратным током и падением напряжения в прямом направлении, следует считать идеальным вентилем. Сопротивление идеального вентиля в прямом направлении ( гъ) равно нулю, а в обратном ( / чбр) - бесконечно велико. Вольт-амперная характеристика идеального вентиля, показанная на рис. 15.1, представляет собой отрезок ( Оа) положительной полуоси тока и отрезок ( Об) отрицательной полуоси напряжения. Заменой реальной характеристики вентиля отрезками прямых ( кусочно-линейная аппроксимация), в частности характеристикой идеального вентиля, шиши роко пользуются, чтобы упростить расчет режима цепи с вентилями.  [3]

Вольт-амперная характеристика диода условно разделяется на три области: область насыщения и две области пробоя. В области насыщения ток насыщения, проходящий через диод, очень мал и практически не зависит от приложенного напряжения.  [5]

Вольт-амперная характеристика диода нелинейна, и значение R зависит от величины напряжения U а. На рабочем участке характеристики величина R может иметь значения от нескольких десятков до нескольких тысяч ом.  [7]

Вольт-амперные характеристики диодов сильно зависят от температуры.  [9]

Вольт-амперная характеристика диода зависит от температуры. С повышением температуры прямое и обратное сопротивления уменьшаются. Наиболее сильно с изменением температуры меняются обратный ток и.  [10]

Вольт-амперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой б на рис. 3.4. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.  [11]

Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки почти идеально описывается экспоненциальной зависимостью ( 10 - 52) для идеализированного диода. Это обстоятельство позволяет с успехом использовать диоды Шоттки в качестве логарифмирующих элементов.  [13]

Излом вольт-амперной характеристики диодов позволяет пропускать практически без искажений малые мгновенные значения напряжений и резко ослаблять вершины полуволн.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Вольт-амперная характеристика диода

Это зависимость тока, проходящего через диод от приложенного напряжения . Рассмотрим ВАХ реального диода КД103А.

 

Рисунок 3.1

 

Прямое включение, резкое возрастание тока, при малых значениях напряжения до 1V. Обратное включение – малое значение обратного тока приблизительно 1 µА при больших значениях напряжения 200V. При увеличении температуры и через диод возрастают (см. рис. 2.6). Зависимость обратного тока от температуры.

 

- номинальная температура.

- рассматриваемая температура.

- перепад температуры.

- коэффициент, зависящий от материала проводника.

 

Обратные токи сильно зависят от температуры (см. рис. 2.6). Обратный ток p-n перехода часто называют тепловым током. Рассмотрим ВАХ германиевого и кремниевого диодов:

 

 

 

 

1- Ge диод

2- Si диод

 

 

Рисунок 3.2

 

 

Обратные токи кремниевого диода намного больше германиевого диода поэтому кремниевые диоды можно использовать при более высоких температурах и высоких напряжениях.

Si диод t0 – от 600 С до 1500 С, Uобр max от 1000V до 1500V

Ge диод t0 – от 600 С до 850 С, Uобр max от 100V до 400V

Приемущества германиевого диода малое падение напряжения при пропускании прямого тока, поэтому мощность рассеиваемая на диоде будет меньше.

 

Похожие статьи:

poznayka.org


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта