Робота однофазного мостового випрямляча на активне навантаження

Одеса, ОНПУ. 2013

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Інститут комп’ютерних систем

Кафедра информаційних систем

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

з дисципліни “Промислова електроніка”

для студентів інституту електромеханіки

та енергоменеджменту та ННІДЗО

з напряму підготовки 6.050701

«Електротехніка та електротехнології»

 

Затверджено

на засіданні кафедри

“Інформаційні системи”

Протокол № 5 від

6.02. 2013 р.

 

Одеса, ОНПУ. 2013

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Промислова електроніка” для студентів інституту електромеханіки та енергоменеджменту та ННІДЗО з напряму підготовки 6.050701 «Електротехніка та електротехнології» /Укладач: Карпенко В.М. Одеса, ОНПУ. 2013. – 64 с.

 

 

Укладач: Карпенко В.М.

 

 

З М І С Т

 

Лабораторна робота № 1

Дослідження напівпровідникових діодів.

Мета роботи – навчитися знімати характеристикинапівпровідникових діодів і визначати параметри по цих характеристиках.

1. Основні теоретичні положення.

1.1. Електрофізичні властивості напівпровідників.

1.1.1. Електропровідність напівпровідників.

Напівпровідниками називаються матеріали, які мають питомий опір в межах r = 10⁵ ÷1О¹⁰ Ом • см та займають по цьому показнику проміжне положення між металами ( r = 10⁶ ÷ 10⁵ Ом • см) та діе­лектриками ( r = 1О¹⁰ ÷1О¹⁵ Ом • см). Найважливішою ознакою напівпровідників є сильна залежність електричного опору від тем­ператури, ступеня опромінення світлом або рівня іонізуючого випро­мінювання, кількості домішок та інше. При нагріванні питомий опір провідників збільшується, а напівпровідників зменшується. Це свідчить про різний характер провідності цих матеріалів.

П     З
	DW
б Рис. 1.1.

 

 

В

а

в

В

В

 

 

На рис.1.1 подані енергетичні діаграми різних матеріалів (а—метал, б—діелектрик (ізолятор), в — напівпро­відник), на яких В, З, П означають від- повідно валентну зону, в якій усі рівні при температурі аб­солютного нуля заповнені електронами; заборонену зону, в якій енергетичні рівні відсутні; зону провідності (зону вільних електронів), на енергетичні рівні якої можуть переходити електрони при збудженні атомів. Як видно, для того щоб електрон міг перейти з валентної зони в зону провідності, йому необхідно надати енергію, більшу ніж DW (при зворотному переході така енергія виділяється у вигляді випро­мінювання). У металів заборонена зона відсутня, тому при кімнатній температурі велика кількість електронів, яка перейшла з валентної зони в зону провідності, забезпечує металам високу електропровідність. У діелектриків ширина забороненої зони велика (DW > 4 еВ;1 еВ = 1,60201•10^-9 Дж — позасистемна одиниця енергії, що застосовується для вимірювання енергії мікрочасток, які мають електричний заряд;1 Дж = 1 кГм²/с²) і за звичайних умов електрони провідності практично відсутні.

Ширина забороненої зони DW у найбільш розповсюджених напівпровідників ¾ германія та кремнію — складае відповідно 0.72 і 1,12еВ. Ці напівпровідники належать до IV групи періодичної системи елементів Менделєєва і мають по чотири валентних електрони. Крім них зараз знайшли розповсюдження композити, такі як арсенід і фосфід галію (GaAs, GaP), антимонід індію (InSb), тобто систем A_III - B_V та A_II - B_VI . Почали застосовуватись і так звані органічні (некристалічні) напівпровідники.

На рис. 1.2.а по­казана схема кристалічної ґратки чистого кремнію, у якій кожний атом зв'язаний з чотирма такими ж парними чи ковалентними зв'язками (ці зв'яз­ки умовно позна­чені подвійними лі­ніями).

При температу­рі навколишнього середовища, що відрізняється від абсолютного нуля, чи (і) під впливом магнітного поля, світла або іншого випромінювання деякі електрони отримують енергію, достатню для того, щоб подолати заборонену зону і перейти в зону провідності. При цьому у валентній зоні залишається незаповненний енергетичний рівень — дірка (рис. 1.2, а). В кристалічній ґратці напівпровідника при ньому відбу­вається розрив одного з валентних зв'язків тапоява вільного електрона, який може вільно пересуватися по кристалу, ідірки— вузла ґратки, який утратив один з електронів зв'язку. Обірванийзв'язок може бути відновлений, якщо його поновить електрон із сусіднього зв'язку.

Рис. 1.2.

Процес відновлення зв'язків за рахунок переміщення електронів від одного атома ґратки до іншого, тобто у валентній зоні, зручно зобразити у вигляді протилежно спрямованого руху дірок, котрим при­писують позитивний заряд (тобто заряд, протилежний заряду електронів, які переміщуються). Таким чином, у кристалі можливо пере­міщення як вільних електронів (негативних зарядів), так і дірок (по­зитивних зарядів).

Процес утворення в чистому напівпровіднику пари електрон у зоні провідності — дірка у валентній зоні називається генерацією власних носіїв зарядів. Електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні під дією теплової енергії перебувають у хаотичному русі. При цьому можливий процес захоплення електронів зони провідності дірками валентної зони. Процес зникнення пар електрон—дірка називається рекомбінацією.

Середній час між моментами генерації і рекомбінації називають часом життя носіїв заряду.

Завдяки рекомбінації кількість носіїв заряду у напівпровіднику не збільшується і при постійній температурі незмінна. Концентрації (кількість носіїв в одиниці об'єму, 1/см³) дірок р_і та електронів п_і у чистому напівпровіднику рівні: р_і = п_і. У робочому діапазоні тем­ператур концентрація електронів і дірок у чистому напівпровіднику невелика і за своїми електричними властивостями чистий напівпровідник близький до діелектриків.

При введенні у чистий напівпровідник невеликої кількості домішок значно змінюється характер електропровідності. Якщо внести у кремній (германій) атоми домішок V групи таблиці Менделєєва (миш'як, фосфор, сурму), то вони заміщують у вузлах кристалічних ґраток атоми кремнію (германію). При цьому чотири валентних електрони атома миш'яку (Аs), об'єднавшись із чотирма електронами сусідніх атомів кремнію, налагоджують систему ковалентних зв'язків (рис. 1.2,б), п'ятий електрон виявляється надлишковим і не створює зв'язок із сусідніми атомами напівпровідника. Такі домішки, що мають додатковий валентний електрон, називають донорними. Локальні енергетичні рівні домішки лежать у верхній частині забороненої зони і заповнені при температурі абсолютного нуля.

Близькість локальних рівній до зони провідності призводить до того, що вже при невеликому нагріві атоми домішок іонізуються, віддають додатковий електрон, що призводить до збільшення кількості вільних електронів. Утворення вільних електронів при іонізації донорної домішок супроводжується появою в вузлах кристалічної ґратки нерухомих позитивних зарядів — іонів домішок. Обмін електронами між атомами домішок неможливий тому, що атоми домішок віддалені один від одного і при кімнатній температурі усі іонізовані. Таким чином, іонізація атомів домішок не призводить до збільшення концентрації дірок, які утворюються тільки при розриві зв’язків між атомами напівпровідника. Тому при внесенні донорних домішок концентрація вільних електронів виявляється значно більше концентрації дірок і електропровідність визначається в основному електронами. У цьому випадку електрони є основними носіями (їх концентрація позначається п_n ), дірки — неос­новними (концентрація р_п ), а такий напівпровідник називають на­півпровідник n-типу. Незважаючи на те, що у домішковому напів­провіднику рухомі носії одного знаку переважають, напівпровідник у цілому електрично нейтральний тому, що надлишковий заряд рухомих носіїв компенсується зарядом нерухомих іонів домішки. Для напівпро­відника n-типу справедлива наступна рівність концентрації негативних і позитивних зарядів

n_n=p_n+N_д , де N_д , — концентрація донорної домішки.

Оскільки р_п мала (ширина забороненої зони DW велика і генерація власних носіїв напівпровідника утруднена), то п_п » N_д. Таким чином, концентрація основних носіїв практично дорівнює концентрації атомів домішок, оскільки в робочому діапазоні вони повністю іонізовані. В цьому діапазоні температур концентрація основних носіїв залежить від температури.

При внесенні в кремній (германій) домішок ІІІ групи (алюмінію, бора, індію), яку називають акцепторною, її атоми заміщують у вузлах кристалічної ґратки атоми кремнію (рис.1.2, в). Однак у цьому випадку при комплектуванні ковалентних зв'язків одного електрона не вистачає, оскільки атоми домішки мають лише три валентних електрони. Енерге­тичний рівень домішки лежить у забороненій зоні поблизу валентної зони і незаповнений при температурі абсолютного нуля. За рахунок переміщення електрона від сусіднього атому кремнію (наприклад, при підвищенні температури до кімнатного рівня) утворюється негативний іон домішок, а на місці обірваного зв'язку у валентній зоні позитивний заряд — дірка. Локальні енергетичні рівні домішок розташовані біля валентної зони і легко беруть на себе електрони із цієї зони, що призво­дить до утворення дірок. Основними носіями при цьому стають дірки, неосновними — електрони. Збитковий заряд дірок компенсується зарядом негативних іонів і напівпровідник у цілому є електричко ней­тральним. Напівпровідник з акцепторною домішкою називається на­півпровідником р-типу.Для р-напівпровідника

p_р =n_р+N_а » N_а , де N_а — концентрація акцепторної домішки.

Оскільки в діапазоні кімнатних температур усі атоми акцепторної домішки іонізовані (прийняли додатковий електрон), концентрація основних носіїв у зазначеному робочому діапазоні температур не зале­жить від температури.

 

1.1.2. Електронно-дірковий перехід.

Електронно-дірковим або р-п-переходом називають перехідний шар між областями напівпровідника з різними типами провідності. Такий перехід є основою більшості напівпровідникових приладів. Властивості р-п-перехода визначаються співвідношенням концентрацій донорів і акцепторів, їх розподіленням по об'єму р- та п- областей та геометрією областей. Якщо концентрація донорів у п-області дорівнює концентрації акцепторів у р-області (N_д= N_а),то перехід називають симетричним; якщо ці концентрації не рівні (N_Д ¹ N_а), то перехід називають неси­метричним.

У напівпровідникових приладах ширше застосовуються несиметричні переходи.

В тому випадку, коли концентрація домішок відрізняється на порядок і більше, переходи називають односторонніми і позначають п⁺-р або р⁺-п. Індекс «+» підкреслює більшу електропровідність даної області монокристала.

Одна з напівпровідникових областей кристала, яка має більш високу концентрацію домішок (отже, і основних носіїв заряду), називається емітером, а друга, з меншою концентрацією — базою.

Розглянемо процеси в р-п-переході у відсутності зовнішнього елек­тричного поля (рис.1.3,а). Оскільки концентрація дірок у напівпро­віднику р-типу набагато більша, ніж у напівпровіднику п-типу, і навпаки, в напівпровіднику п-типу висока концентрація електронів, то на межі поділу напівпровідників з різною електропровідністю ство­рюється перепад (градієнт) концентрації дірок та електронів. Це викли­кає процес дифузії носіїв заряду з області з підвищеною в область з низькою концентрацією носіїв. Основні носії р-області — дірки — дифундують в п-область, а основні носії п-області — електрони — ди­фундують в р-область. Дифузійний струм через перехід

I_диф = I_{ДИФ р} + I_{ДИФ п} » I_{ДИФ р} (N_а >>N_д , р_р >> п_п ).

Коли під впливом сил дифузії носії перейдуть контактну границю,

Рис 1.3.

вони рекомбінують з основними носіями другої області. Внаслідок від­ходу основних носіїв з однієї області та їх рекомбінації у другій області у приконтактних областях створюється збіднений на рухомі носії заряду шар і з'являється нескомпенсований негативній заряд за рахунок іонів акцепторних домішок (в приконтактній області р-типу) і позитивний заряд за рахунок іонів донорних домішок (в приконтактній області п-типу). Збіднений на рухомі носії заряду шар (на рис.1.3, а він відмі­чений кружечками зі знаком ²-² та ²+², що позначають негативні та позитивні іони відповідно акцепторних та донорних домішок) має не­значну електропровідність і його називають запірним шаром. Подвійний електричний об'ємний заряд (рис.1.3.а) створює електричне поле з напруженістю Е₀, що спричиняє появу на кривій розподілу потенціалу в напівпровіднику потенціального бар'єра j₀.

Електричне поле, яке виникло у середині запірного шару, спричиняє спрямоване переміщення носіїв заряду через перехід — дрейфовий струм, спрямований назустріч дифузній складовій струму через перехід. Дрей­фовий струм через перехід

I_ДР = I_{ДР р} + I_{ДР п}

Напрям струмів дрейфу протилежний струмам дифузії і, за відсут­ності зовнішньої напруги та незмінній температурі, ці струми однакові і повний струм через р-п-перехід дорівнює нулю:

I­_a=I­_диф-І­_др=І_{диф p} + І_{диф n} - І­_{др p} -І­_{др n} ­ (1.1.)

Ширина запірного шару в p та n-областях залежить від концентрації іонів домішок у областях та тим менша, чим більша концентрація домішок. Тому, коли N_а >> N_д , перехід має подвійний електричний шар, ширина якого в області з меншою концентрацією домішок більша (див. рис. 1.3,а).

Якщо прикласти до напівпровідника зовнішню пряму напругу U_а (рис.1.3,б) (плюс до р-області, мінус до п-області), то збіднений шар р-п-переходу звужується, а його провідність збільшується. Оскільки зов­нішнє електричне поле Е_а прикладається назустріч внутрішньому полю Е₀, результуюча напруженість поля в запірному шарі знижується і потенційний бар'єр дорівнює j = j₀ - U_а.

При цьому зростає кількість носіїв, що мають енергію, достатню для здолання потенційного бар'єра, і збільшується дифузійна складова I_диф струму через перехід. Дрейфова складова визначається тільки кількістю неосновних носіїв заряду, які підійшли до запірного шару в процесі теплового руху. Тому дрейфовий струм неосновних носіїв від прикладеної напруги не залежить. Таким чином, повний струм через перехід

І_а = I_диф - I_др > 0.

Це прямий струм р-п-переходу. Зменшення результуючого поля р-п-переходу приводить до зменшення об'ємного заряду та звуження запірного шару. Потенційний бар'єр j₀ дорівнює частці вольта, тому для протікання прямого струму до р-п-переходу достатньо прикласти напругу, яка вимірюється також часткою вольта. Якщо змінити полярність зовнішньої напруги, тобто до області р прикласти мінус, а до області п — плюс (рис.1.3,в), то зовнішнє поле Е_а складатиметься з внутрішнім полем Е₀ і потенційний бар'єр під­вищуватиметься: j = j₀ + |U_а| , а ширина запірного шару зросте. Дифу­зія носіїв через перехід стає практично неможливою і тому струм І_а = I_диф - I_др = - I_др .У цьому випадку поле р-п-переходу утягує всі неосновні носії, які підійшли до нього, незалежно від потенційного бар'єра і через перехід тече струм тільки неосновних носіїв: струм дірок із п-області в р-область і електронів із р-області в п-область. Цей струм, який називається зворотним струмом, значно менший за прямий струм через перехід, тому що кількість неосновних носіїв у напівпровіднику мала. Співвідношення прямого і зворотного струмів р-п-переходу говорить про односторонню провідність переходу, що дозволяє вико­ристати його для випрямлення змінного струму.

Зворотній струм неосновних носіїв через перехід I_зв = I_др іноді нази­вають тепловим струмом (I₀), тому що він сильно залежить від температу­ри: при нагріві напівпровідника збільшується генерація неосновних носіїв. Залежність струму через р-п-перехід від прикладеної напруги I_а = ¦(U_а) називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) електронно-діркового переходу і вона визначається виразом

I_а = I₀[exp (U_а / j_т) -1], (1.2)

де j_т = kT / q ¾ тепловий потенціал, який дорівнюе контактній різниці потенціалів j_к на межі поділу напівпровідників за відсутності зовнішньої напруги (при Т = 300 К, j_т = 0,025 В ); k — стала Больцмана; Т — абсолютна температура; q— заряд електрона.

При зворотніх напругах порядку (0,1...0.2)В першою скла­довою у виразі (1.2) можна знехтувати (е^-4 » 0,02), при позитивних напругах, що перевищують 0,1В, можна знехтувати одиницею (е⁴ » 54,6 ), тому ВАХ, що описується виразом (1.2), буде мати вигляд, наведений на рис. 1.4, а. На рис. 1.4,б наведена ВАХ ідеального вентиля, у якого має місце нульове падіння напруги при протіканні прямого струму і нульовий струм при прикладанні зворотної напруги. З наве­дених ВАХ бачимо, що властивості р-п-переходу близькі до властивостей ідеального вентиля.

Рис. 1.4.

З підвищенням зворотної напруги до певної величини відбувається різке збільшення зворотного струму, пов'язане з пробоєм р-п-переходу, то обмежує допустиму зворотну напругу. Залежно від механізму про­бою р-п-переходу розрізняють електричний (лавинний та тунельний) та тепловий пробої.

Лавинний пробій виникає у переходах, які утворені напівпровід­никами з низькою концентрацією домішок. При лавинному пробої в р-п-переході відбувається ударна іонізація, коли електрон при­скорюється сильним полем і дістає енергію, достатню для збудження домішкових центрів і вузлів основних ґраток напівпровідника. Кіль­кість носіїв зростає, що призводить до збільшення струму через перехід. У свою чергу, отримані внаслідок первинної іонізації дірки і електрони на своєму шляху у переході іонізують нові атоми, що призводить до розвитку лавини рухомих носіїв заряду; зворотний струм значно зростає при практично незмінній зворотній напрузі (ділянка II на рис. 1.4, а).

В основі тунельного пробою лежать прямі електронні переходи між валентною зоною і зоною провідності під дією сильного електричного поля. Явище множення вільних носіїв при тунельному пробої звичайно виникає в тонких шарах напівпровідників з високим рівнем домішок. У квантовій електроніці доведено, що електрони, які не володіють дос­татньою енергією для проходження через потенційний бар'єр, усе ж таки можуть пройти крізь нього, якщо з другої сторони цього бар'єра є такий самий вільний енергетичний рівень, який займали електрони перед бар'єром. Напруга пробою залежить від питомого опору напівпровід­ника; вона тим більша, чим вище питомий опір. Електричний пробій не призводить до руйнування переходу.

Оскільки в р-п-переході під час проходження зворотного струму виділяється тепло, у разі недостатнього тепловідводу починає підви­щуватися його температура. Це спричиняє теплову генерацію вільних носіїв, за рахунок чого зворотний струм зростає з одночасним збільшен­ням кількості тепла, що виділяється (ділянка III на рис. 1.4, а). На цій ділянці збільшення струму через перехід супроводжується зменшенням напруги на ньому. Внаслідок недопустимого нагрівання р-n-перехід руйнується, що називається тепловим пробоєм. Пробивна напруга при тепловому пробої залежить від температури навколишнього середовища і зменшується з її збільшенням. Напруга теплового пробою тим більша, чим менший зворотний струм переходу та чим кращі умови відведення тепла в навколишнє середовище.

Лавинний і тунельний пробої належать до типу оборотних, коли зняття сильних електричних полів повертає процеси в р-п-переході у початковий стан. Тому їх виникнення використовують в напівпровідни­кових приладах для створення певних характеристик. Тепловий пробій — процес необоротний, бо він неминуче веде до руйнування матеріалу напівпровідника. Тепловий пробій обумовлює аварійний режим, який виводить з ладу напівпровідникові прилади.

Величина об'ємних зарядів у переході та поблизу його границь змінюється із зміною напруги, прикладеної до переходу. Це відбувається тому, що в залежності від напруги змінюється ширина запірного шару, а також концентрація основних і неосновних носіїв поблизу границь переходу. Наявність різних за знаком зарядів по різні боки границі дозвояє вважати, що перехід має електричну ємність. Розрізняють бар'єрну (зарядну) і дифузійну ємності.

Бар'єрна (зарядна) ємність виникає при зворотній напрузі на переході і обумовлена зміною на ньому об'ємного заряду. Як видно з рис. 1.3,б область об'ємного заряду являє собою подвійним шар протилежних по знаку нерухомих зарядів. Цей подвійний шар можна порівняти з обкладкам плоского конденсатора, зарядженого до потенціалу j₀ = Е₀. Якщо прикласти зовнішню зворотну напругу, різниця потенціалів між електронною та дірковою областями напівпровідника збільшується, то призводить до збільшення об'ємних зарядів в цих областях на­півпровідника. Через те, що об'ємні заряди створюються нерухомими іонами атомів донорів та акцепторів, збільшення об'ємного заряду може бути пов'язано тільки з розширенням області об'ємного заряду в основ­ному в бік області напівпровідника з меншою концентрацією домішок. Іншими словами, при збільшенні зворотної напруги, прикладеної до переходу, збільшується область, збіднена рухомими носіями — електронами і дірками.

Бар'єрна ємність, як і будь-яка ємність, може бути подана у вигляді

(1.3)

де Dq —зміна бар'єрного заряду; Du —зміна напруги, яка викликала зміну заряду; S, l₀ — площа і товщина р-п-переходу при U_а=0; e — відносна діелектрична проникність напівпровідника; e₀ — діелектрична проникність повітря.

Рис. 1.5.

Бар'єрна ємність буде тим більшою, чим більше концентрація рухо­мих носіїв заряду на межі області об'ємного заряду (отже, чим тонший шар області об'ємного заряду) і чим менше напруга на переході. З (1.3) видно, що з збільшенням прикладеної зворотної напруги U_а бар'єрна ємність зменшується тому, що збільшується товщина l переходу (рис. 1.3,в). Залежність С_б = ¦(U_а) називають вольт-фарадною характеристикою (рис. 1.5,а).

Якщо до р-п-переходу при­класти пряму напругу, бар'єрна ємність збільшується внаслідок зменшення l . Проте у цьому випадку приріст зарядів за рахунок інжекції відіграє більшу роль і ємність р-п-переходу визначається в основному дифузійною складовою ємності.

Дифузійна ємність відображає фізичний процес зміни концентрації рухомих носіїв заряду, які накопичуються в областях внаслідок зміни концентрації інжектованих носіїв. При прикладеній до р-п-переходу прямій напрузі через нього тече прямий струм, обумовлений інжекцією дірок у базову область. У базі накопичується заряд, створений неосновними носіями і пропорційний прямому струмові, і заряд основних носіїв, який забезпечує електронейтральність напівпровідника. Якщо швидко змінити полярність прикладеної напруги на протилежну, інжектовані дірки не встигають рекомбінувати і під дією зворотної напруги переходять назад в область емітера. Основні носії заряду рухаються в протилежний бік і уходять по шині живлення. При цьому зворотний струм значно збільшується. Поступово додатковий заряд дірок у базі зникає (розсмоктується) за рахунок рекомбінації їх з електронами і повернення в р-область. Зворотний струм зменшується до статичного значення I₀ (рис. 1.5,б). Перехід р-п веде себе подібно до ємності, причому заряд дифузійної ємності пропорційний прямому струму, який раніш протікав через р-п-перехід.

Таким чином, при зворотних напругах треба враховувати бар'єрну ємність С_б (С_диф =0), а при прямих — дифузійну С_диф (С_б =0).

Па практиці використовують лише бар'єрну ємність. Вона нелінійна і має високу добротність. Дифузійна ємність шунтується низьким пря­мим опором і її добротність мала. (Добротністю називають відношення реактивного опору до його активного опору.) За допомогою добротності можна якісно і кількісно оцінити можливості використання ємності переходу як елемента резонансного контуру.

На практиці знаходять застосування переходи, які виникають при контакті метала з напівпровідниками. Якщо контакт метал-п-напівпровідник утворений і енергія електронів металу більша за енергію носіїв заряду напівпровідника, частка електронів перейде з напів­провідника в метал. У приконтактній області напівпровідника зали­шається нескомпенсований позитивний заряд донорних домішок. В результаті біля межі контакту виникнуть об'ємні заряди та з'явиться контактна різниця потенціалів. Електричне поле, що з'явилося, буде перешкоджати подальшому руху електронів з напівпровідника в метал та сприяти переходу дірок з металу (неосновні носії заряду) в напів­провідник п-типу.

У зрівноваженій системі спостерігається динамічна рівновага основних та неосновних носіїв заряду, що рухаються назустріч. Резуль­туючий струм через перехід дорівнює нулю. Концентрація основних носіїв заряду (електронів) у приконтактному шарі напівпровідника нижча за їх концентрацію в його об'ємі, тому цей шар має підвищений питомий опір і буде визначати опір усієї системи.

Якщо до системи підімкнути зовнішню напругу, причому плюс до металу, а мінус до напівпровідника, виникає додаткове електричне поле, яке знижує внутрішнє електричне поле в переході (знижує потен­ційний бар'єр). Опір приконтактного високоомного шару зменшується і через перехід потече струм, обумовлений переходом електронів з напів­провідника в метал. Збільшення прикладеної напруги приводить до збільшення струму. При прикладенні зворотної напруги потенційний бар'єр збільшується і через перехід тече струм, створений дірками — неосновними носіями зарядів п-напівпровідника. Цей струм малий. Такий перехід володіє випрямляючими властивостями. Потенційний бар'єр, який виникає у цьому випадку, називають бар'єром Шотки.

Для з'єднання зовнішніх виводів з кристалом напівпровідника засто­совують омічні контакти, в яких зв'язок між напругою і струмом визна­чається законом Ома. Контакт металу з п-напівпровідником виявляється омічним (не утворює потенційного бар'єра), якщо робота виходу електро­на з металу менша, ніж з напівпровідника. В цьому випадку електрони вільно переходять з металу в напівпровідник і назад. При прикладанні прямої або зворотної напруги змінюється лише ступінь збагачення шару поблизу металургійної межі електронами. Контакт метал-р-напівпровідник виявляється омічним, якщо робота виходу з металу більша, ніж з напівпровідника.

 

1.2. Напівпровідникові діоди.

Напівпровідниковий діод — електроперетворювальний прилад з одним р-п-переходом і двома виводами. Властивості, технічні харак­теристики та параметри діода визначаються р-п-переходом.

На практиці знаходять застосування точкові, площинні, сплавні і дифузійні діоди.

Точковий діод утворюється у місці контакту невеликої пластини напівпровідника і вістря металевого дроту ¾ пружини. Тому лінійні розміри переходу менше його ширини. Для більш надійного контакту через перехід пропускають імпульс струму в декілька ампер, що вплав­ляє вістря металу в напівпровідник. Відбувається дифузія металу в напівпровідникову пластину і утворюється півсферичний р-п-перехід. Завдяки малій площі діод володіє дуже малою ємністю переходу і використовується до частот у кілька сотень мегагерц. Мала площа переходу визначає невеликий допустимий струм діода. Точкові діоди звичайно виконуються на основі германію.

Площинні сплавні діоди мають площинний електричний перехід, лі­нійні розміри якого, що визначають його площу, значно більше ширини р-п-переходу. Перехід у таких діодах може виконуватися методом сплав­лення напівпровідникової пластини з металом. На пластину напів­провідника накладають метал або сплав, який вміщує донорні або акцепторні домішки. Після цього цей матеріал нагрівають до темпе­ратури, що достатня для того, щоб частина напівпровідника розчинилася в отриманому розплаві. При наступному охолодженні відбувається ре­кристалізація початкового напівпровідника з домішками вплавленого металу і утворюється р-п-перехід.

Дифузійні діоди виготовляються за допомогою дифузії у напів­провідникову пластину домішки, яка знаходиться в газоподібній, рідин­ній або твердій фазах. Якщо дифузія домішки здійснюється через отвір у захисному шарі, нанесеному на поверхню напівпровідника, то одер­жують так званий планаринй р-п-перехід.

Дифузійні діоди відрізняються від сплавних меншою ємністю і біль­шою швидкодією.

За функціональним призначенням діоди поділяють на випрямні, високо­частотні (універсальні), імпульсні, опорні (стабілітрони), перемикаючі, фотодіодн, світлодіодп, тунельні та інші.

Рис. 1.6.

На рис. 1.6 показані вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в). Порівнюючи вольт-амперні характеристики реального діода і р-п-переходу (див. рис. 1.4, а) можна зробити висновок, що вони відрізняються. Це обумовлено тим, що ідеальна вольт-амперна характеристика (рис. 1.4, а) р-п-переходу не враховує рекомбінаційно-генераційні процеси, які відбуваються в об'ємі і на поверхні р-п-переходу, який вважають нескінченно тонким і довгим.

Реальній р-п-перехід не є нескінченно тонким і тому при зворотній напрузі відбувається генерація пар електрон — дірка, які утворюють струм генерації I_ген . До того ж із збільшенням зворотної напруги збільшується область, збіднена рухомими носіями заряду — електронами і дірками. Це приводить до того, що товщина р-п-переходу зростає (ефект Ерлі). а, отже, і кількість генерованих пар теж зростає. Тому із зростанням зворотної напруги одночасно зростає і зворотний струм (рис. 1.6. б).

Протяжність реального р-п-переходу також не нескінченна. Поверхня напівпровідникового кристалу характеризується порушенням криста­лічної ґратки і різними забрудненнями, що обумовлює рекомбінаційно-генераційні пронеси па поверхні р-п-переходу і приводить до появи додаткового струму — струму витоку I_вит. Таким чином, зворотний струм реального діода

При порушеннях технологічного процесу, коли з'являється можливість попадання різних забруднень на поверхню напівпровідникового діода, струм витоку може складати основну частину зворотного струму діода, значно перевищуючи струми I_ген і I₀ , і навіть шунтувати р-п-перехід.

Відносна частка I_ген і I₀ у зворотному струмі діода залежить від типу початкового напівпровідникового матеріалу. Так, для германію (I_ген/I₀)<<I. Для кремнію (I_ген/I₀) » 1000.

Струм I_вит також залежить і від типу напівпровідникового мате­ріалу, який застосовується. Для германієвих діодів завжди I_вит < I_ген + I₀ . Для деяких типів кремнієвих діодів навпаки I_вит > I_ген + I₀.

З урахуванням вищесказаного приблизно можна вважати, що для германієвих діодів I_зв » I₀, тобто зворотним струмом є тепловий струм, тому він у більшій мірі підданий температурним змінам і перевищує значення зворотних струмів кремнієвих діодів на декілька порядків. Для кремнієвих діодів I_зв = I_ген + I_вит .

Пряма вітка вольт-амперної характеристики реального діода (рис.1.6,а,б) також відрізняється від вольт-амперної характеристики ідеального р-п-переходу. Це пояснюється тим, що вираз (1.2) не враховує впливу об'ємного опору бази r_Б діода при великих рівнях інжекції, коли кількість неосновних для області бази носіїв заряду, шо інжектуються, стає значно більше основних (у нашому випадку р_п >> п_п).

Справді, концентрація основних носіїв заряду в області бази, як вже визначалося, значно менша, ніж в області емітера, що виявляється в істотній відмінності опорів цих областей (r_Б >> r_E). Значення r_Б зале­жить від типу діода і може змінюватися від десятих часток до декількох десятків Ом.

Наявність значного об'ємного опору бази призводить до нерівності значень напруг на виводах діода (U_a) та його електронно-дірковому переході (U_БE). Ця різниця тим більша, чим більше прямий струм діода, тому що . У той же час аналітичний вираз (1.2) для вольт-амперної характеристики ідеального р-n переходу не враховує спад напруги в області бази, що дорівнює Ir_Б, і розуміє під U = U_a тільки значення U_БE Якщо у вираз (1.2) підставити реальне значення U_БE і знехтувати одиницею для великих рівний інжекції, то
одержимо рівняння, яке описує пряму вітку вольт-амперної характеристики реального діода

I=I_зв{exp[(U_a – Ir_Б)/_T]-1}

або

U_a=[­_T ln(I/I_зв+1)]+Ir_Б (*)

Для малих стумів вираз (*) має вигляд

U_a­_T ln(I/I_зв+1)

При I >> I_ЗВ, що відповідає великим рівням інжекції, складовою, що включає ln(I/I_ЗВ), можна знехтувати. Тоді пряма вітка вольт-амперної характеристики описується лінійною залежністю U_a =Ir_Б.

Ця ділянка вольт-амперної характеристики називається омічною ланкою прямої вітки.

Прямий струм діода також залежить від температури навколишнього середовища і збільшується з її підвищенням, хоча у значно меншій мірі, ніж зворотний струм.

Спад напруги на діоді U_a залежить від струму I який протікає через нього, і має більше значення у діодів з малим I_ЗВ . У кремнієвих діодів тепловий струм I₀ малий, тому початкова ділянка прямої вітки характеристики значно більш полога, ніж у германієвих (рис. 1.6, а, б). При збільшенні температури пряма вітка характеристики стає більш крутою, тому що зростає I₀ і зменшується опір бази. Спад напруги, що відповідає тому ж значенню прямого струму, при цьому зменшується, що оцінюється за допомогою температурного кое­фіцієнта напруги (ТКН)

ТКН = U­_a /T (1.4)

ТКН показує, на скільки повинна змінитися напруга на р-п-переході при зміні температури на 1 °С при певному значенні прямого струму (I=const) (TKH =2,2 мВ/град.)

Напівпровідниковий діод характеризується диференціальним (дина­мічним) і статичним опорами, які визначаються за вольт-амперною ха­рактеристикою. Диференціальний опір у будь-якій точці прямої вітки характеристики:

r­­_д=dU_a/dIU_a/I=(m_U/m_I)ctg() (1.5)

де U_a, I_a – кінцеві прирости напруги і струму поблизу робочої точки, m_{U ­}та m_I — масштаби по вісях напруги та струму; (— кут нахилу між дотичною в робочій точці та віссю абсцис. Статичний опір у будь-якій точці прямої вітки характеристики

r­­_СТ=U_a/I_а (1.6)

У залежності від того, на якій ділянці вольт-амперної характеристики знаходиться робоча точка, значення r_СТ може бути менше, дорівнювати або більше значення r_д. Проте r_СТ завжди позитивне, у той час як r_д може бути і негативним (наприклад, у тунельного діода).

При роботі на високих частотах та в імпульсних режимах починає грати роль ємність діода С_Д яка вимірюється між виводами діода при заданих значеннях напруги і частоти.

Ця ємність включає ємність переходу С_пер , яка утворена дифузійною (С_диФ), бар'єрною (зарядною) С_Б ємностями, і ємність корпусу діода ( С_к )

С_Д=С_диФ+С_Б+С_к .

Як було сказано вище, значення ємності діода С_Д визначається режимом його роботи. При прямій напрузі С_д=С_диф+С_к, при зво­ротній напрузі С_Д=С_Б +С_К

Зурахуванням розглянутих опорів і ємностей частотні властивості діода можна аналізувати за допомогою його еквівалентної схеми, яка наведена на рис. 1.7, де r_пер опір p-n-переходу. При прямому зміщенні переходу r_перскладає десяті частки ома і тому шунтуючою дією дифузійної ємності можна знехтувати.

Рис. 1.7.

Сукупність усіх цих елементів схеми утво­рює загальний опір діода у комплексній фор­мі Z_Д = R­_Д +jX_Д.

Частотні властивості діода багато в чому визначаються процесами накопичення і роз­смоктування неосновних носіїв заряду в області бази. Тому з точки зору підвищення швидкодії діод повинен виготовлятися так, щоб по можливості прискорити процеси зміни об'ємного заряду неосновних носіїв в області бази або зовсім виключити їх. Останнього можна добитися при використанні випрямного пере­ходу Шоткі. Діоди Шоткі володіють більшою швидкодією, ніж діоди з p-n-переходом.

Крім того, діоди Шоткі відрізняються від діодів з р-п-переходом меншим прямим спадом напруги через меншу висоту потенційного бар'єра для основних носіїв і більшу допустиму густину струму, що пов'язано з хорошим тепловідводом. Це надає перевагу діодам Шоткі при використанні у колах, з високою частотою. Треба також відмітити, що пряма вітка вольт-амперної характеристики діода Шоткі через мен­ший опір ближче до реальної.

Розглянемо деякі типи діодів, які широко застосовуються на практиці. Випрямні діоди використовують вентильні властивості p-n-переходу і застосовуються для перетворення змінного струму в постійний. Крім цього, випрямні діоди широко використовують у схемах керування та комутації, для обмеження паразитних викидів напруг у колах з індук­тивними елементами, як елементи розв'язки в електричних колах та ін. У залежності від початкового напівпровідникового матеріалу діоди підрозділяють на: германієві, кремнієві і арсенід-галієві. Германієві випрямні діоди можуть бути використані при температурах, що не перевищують 70-80 °С, кремнієві —до 120-150°С, арсенід-галієві-до150°С.

Випрямний діод являє собою електронний ключ, який керується прикладеною до нього напругою. При прямій напрузі ключ замкнений (відкритий), при зворотній — вимкнутий (закритий). Однак в обох ви­падках цей ключ не є ідеальним. Якщо подати пряму напругу на ключ, він замкнеться (відкриється) і напруга на навантаженні буде нижче вхідної на величину спаду напруги U_ПР на відкритому діоді.

Для випрямних діодів характерно, що вони мають малий опір у відкритому стані та дозволяють пропускати великі струми, їх бар'єрна ємність велика, тому що вони мають великі площі p-n-переходу, і досягає значень десятків пікофарад.

Основними параметрами випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є середнє за період значення прямого струму I_пр-ср який може тривалий час протікати через діод при допус­тимому його нагріванні; середнє за період значення прямої напруги U_пр-ср при заданому середньому значенні прямого струму; максимально допустима зворотна напруга U_ЗВmax яку довгочасно витримує діод(вона дорівнює 0,7-:-0,8 від напруги пробою р-n переходу); середнє за період значення зворотного струму I_зв-ср при заданому значенні зворотної напруги U_зв ; гранична частота f_max діапазону, в межах якого струм діода не зменшується нижче заданого значення.

Випрямні діоди за потужністю підрозділяють на: діоди малої потужності

(І_{пр ср max} 0,3 A); середньої потужності (0,3 A І_{пр ср max} 10 A) і великої потужності (І_{пр ср max} 10 А).

По частоті випрямні діоди підрозділяють на: низькочастотні (f_max < 10⁵ Гц) високочастотні (f_max >10⁵ Гц).

Серед потужних діодів велике розповсюдження знайшли лавинні діоди. Завдяки особливій технології, яка забезпечує виготовлення майже однорідного за властивостям p-n-переходу і виключенню струму витоку по краю напівпровідникової структури зворотний струм у лавинних діодах тече через усю поверхню переходу з однаковою густиною. При цьому перегрів кристалу виявляється меншим і вірогідність теплового пробою різко знижується. Це значно підвищує надійність роботи діодів.

На практиці дуже часто застосовують групове вмикання діодів. При послідовному і паралельному з'єднаннях діодів через розбіжності їх вольт-амперах характеристик виникають неоднакові розподіли напруг або струмів між окремими діодами. На рис. 1.8 показані схеми: послідов­ного (рис, 1.8, а) і паралельного (рис. 1.8, б) з'єднання двох діодів. Там же показані прямі (рис. 1.8,г) і зворотні (рис. 1.8, в) вітки вольт-амперних характеристик з'єднаних діодів. Згідно наведеним вольт-амперним харак­теристикам при послідовному з'єднанні діодів зворотна напруга U_зв, яка прикладена до них при однаковому зворотному струмі I_ЗВ, розподіляється між діодами неоднаково: до діода VD1 прикладена напруга U_зв1, а додіода VD2 — напруга U_зв2 (рис. 1.8, в). При паралельному з'єднанні діодів загальний струм I_ПР, який протікає у колі, при однаковому прямому спаді напруги U_ПР розподіляється між діодами неоднаково: через діод VDI протікає струм I_Пр1 , а через діод VD2 — струм I_Пр2 (рис. 1.8,г). Для виключення виходу з ладу діодів через перевантаження по струму або напрузі приймають спеціальні заходи по зрівнянню вказаних па­раметрів між окремими діодами. При послідовному з'єднанні діодів для зрівняння напруг звичайно використовують резистори, які вмикаються паралельно діодам, а при паралельному з'єднанні — індуктивні подільники різних типів.

Рис 1.8.

1.3 Різновиди напівпровідникових діодів..

1.3.1. Імпульсні та високочастотні діоди.

 

Високочастотні діоди — це напівпровідникові прилади універ­сального призначення, їх застосовують у тих самих електронних при­строях, що й випрямні діоди, однак при меншому електричному наван­таженні. Одним з основних параметрів високочастотних діодів є ємність діода C_Д 1 пФ. Інші параметри високочастотних діодів такі самі, як у випрямних. У діапазоні підвищених частот необхідно враховувати інерційність діода, пов'язану з накопиченням заряду в області бази і емітера поблизу р-n-переходу. Інерційність діода, а також ємність на дуже високих частотах роблять сумірними амплітуди прямого і зворотного струмів робочих сигналів і діод втрачає властивості односторонньої провідності.

Імпульсні діоди — це напівпровідникові діоди, які мають малу тривалість перехідних процесів і які використовують як ключові еле­менти в пристроях імпульсної техніки. Імпульсні діоди, як і випрямні, характеризуються статичними пара­метрами І_пр.ср, І_зв.ср, І_пр.max, U_пр.max,U_зв.max, С_Д.

Після вмикання прямого струму I_пр у базі діода поблизу р-п-переходу виникає надлишкова концентрація неосновних носіїв заряду, в результаті чого збільшується прямий опір діода і напруга на діоді U_пр.max перевищує усталену напругу U_пр.уст. Оскільки надлишковий нерівноважний заряд у базі розсмоктується за час, що не менший за час життя неосновних носіїв заряду (час, протягом якого концентрація нерівноважних носіїв заряду зменшується в е раз), то напруга на діоді знижується до U_пр.уст за кінцевім інтервал часу, який називають часом встановлення прямої напруги (опору) t_вст.

Якщо пряму напругу на діоді змінити на зворотну (рис. 1.9), то зворотний струм різко зростає за рахунок того, що накопи­чені в базі при протіканні прямого струму дірки втягуються полем р-n-переходу на­зад в емітер.

Рис. 1.9.

Після зміни полярності напруги в деякий проміжок часу t₁, зво­ротний струм змінюється мало (рис. 1.9, б) і обмеженим тільки зовнішнім опором ко­ла. При цьому заряд неосновних носіїв, накопичених при інжекції у базі діода, роз­смоктується. Коли мине час t₁, концен­трація неосновних носіїв заряду на межі переходу досягає рівноважного стану, але в глибині бази ще існує не-рівноважний заряд. З цього часу зворотний струм діода зменшується до свого статичного значення. Зміна його припиниться в момент повного розсмоктування заряду, накопиченого в базі. Проміжок часу з моменту припинення прямого струму до моменту, коли зворотний струм досягає свого встановленого значення (порядку 0,1I₀, де I₀ —струм при прямій напрузі), називають часом відновлення зворотного опору (струму) діода.

1.3.2. Стабілітрони та стабістори.

Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня на­пруги, їх робота базується на використанні явища електричного про­бою p-n-переходу при включенні діода у зворотному напрямку. На рис. 1.10,а показані вольт-амперні характеристики стабілітрона при різних температурах навколишнього середовища, а також умовне позна­чений (б) і його включення в схему стабілізації постійної напруги (в).

Рис. 1.10.

Стабілітрони виготов­ляють, як правило, з крем­нію. При використанні високолегованого кремнію (висока концентрація до­мішок, а, отже, і вільних носіїв заряду) напруга стабілізації знижується, а із зменшенням міри легу­вання кремнію — підви­щується. Напруга стабіліза­ції лежить у межах від 3 до 180 В. Як видно з рис.1.10.а, при підвищенні зворотної напруги відбувається лавинний пробій р-n-переходу. При цьому спостерігається різке зростання зворотного струму при майже незмінному рівні зворотної напруги. Якщо зворотний струм через стабілітрон не перевищує значення I_{ст max}, то електричний пробій не переходить у тепловий і діод не псується.

Стабілітрони характеризуються такими основними параметрами: U_CT — напруга стабілізації при протіканні заданого струму стабілі­зації; I_CTmin, I_CTmax — мінімальне і максимальне значення постійних струмів на ділянці стабілізації; Р_mах — максимальна потужність роз­сіювання; диференціальний опір, який визначається при заданому стру­мі на ділянці стабілізації як ; температурний коефі­цієнт напруги стабілізації _T= [U_cт/(U_номT)]100% де U_CT - відхилення напруги U_CT від номінального значення U_{ст ном} при зміні температури в інтервалі T.

Включення стабілітронів у схему стабілізації вихідної напруги показано на рис. 1.10,в. При збільшенні напруги живлення збільшується струм через стабілітрон і резистор R ( R _H=const), напруга на стабілітроні і навантаженні U_вих залишається незмінною, а надлишок вхідної напруги виділяється на R. Із зміною опору R_H струм, що протікає через опір R , залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між стабілітроном і навантаженням, а напруга U_вих, як і раніше зберігається незмінною.

Параметри кола стабілізації напруги вибирають так, щоб задовольнялись наступні очевидні нерівності

(1.8.)     (1.9.)

U_BXmax , U_BXmin — максимальна і мінімальна напруги джерела жив­лення; I_Hmin i I_Hmax — максимальний і мінімальний струми наванта­ження, які беруть відповідно при R_Hmin і R _Hmaх.

Для зменшення температурного кое­фіцієнта напруги стабілізації послідовно із стабілітроном включають додатковий діод (рис. 1.11.a).

Рис. 1.11.

При цьому вид вольт-амперної характеристики (рис. 1.10, a) при прямій на­прузі U не змінюється і ця ділянка представляє зворотну вітку характеристики діода. На відміну від вищерозглянутого такий компенсований стабілітрон практично не змінює параметри напруги. При необхідності забезпечити стабілізацію двополярних напруг стабі­літрони включають послідовно (рис. 1.11,б). Для стабілізації і обмежен­ня двополярних напруг промисловістю випускаються двоанодні стабілі­трони (рис. 1.11, в).

Для стабілізації невеликих значень напруги (U_ст<1B) викорис­товують пряму вітку вольт-амперної характеристики діодів, а діоди при цьому називають стабісторами.

Варикапи.

Варикап— це напівпровіднико­вий діод, дія якого засновується на використанні залежності бар'єрно(зарядної) ємності від значення при­кладеної напруги. Це дозволяє за­стосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.

Основною характеристикою вари­капа є вольт-фарадна характеристи­ка (рис. 1.12, а) - СB =(Uзв).Основними параметрами вари­капа є: CB — ємність, яка замірюється між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі; Кс — коефіцієнт перекриття по ємності, який використовується для оцінки залежності СB = (Uзв). і дорівнює відношенню ємності варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги (КC =2...20). Залежність параметрів варикапа від температури характеризується температурним коефіцієнтом ємності (ТКЄ) aСв = DСВ / (СВDТ)

Рис. 1.12.

Умовне графічне зображення варикапа приведене на рис. 1.12, б.

1.3.4. Тунельні та обернені діоди.

Тунельний діод — це напівпровідниковий діод, на вольт-амперній характеристиці якого є ділянка з негативним диференціальним опором (ділянка 1—2 на рис. 1.13, а). Наявність його пояснюється тим, що при дуже малих товщинах запірного слою (10 нм і менше) спостерігається тунельний перехід зарядів із валентної зони в зону провідності. В за­лежності від функціонального призначення тунельні діоди умовно підрозділяються на підсилюючі, генераторні, перемикаючі. Область їх застосування в теперішній час обмежена через більшу ефективність, яку дають інші напівпровідникові компоненти.

Рис. 1.13.

Обернені діоди являють собою різновид тунельних і характери­зуються тим, що замість ділянки з негативним диференціальним опором у них на вольт-амперній характеристиці є практично горизонтальна ділянка (рис. 1.13, в). У цих діодах пряму вітку характеристики можна вважати зворотною. Обернений діод має значно меншу пряму напругу, ніж звичайні діоди, і може бути застосований для випрямлення прямих напруг. Значення зворотних напруг також малі. Умовні позначення тунельного та оберненого діодів показані відпо­відно на рис. 1.13, б, г.

Діоди, що призначені для генерування шумів, складають окрему гру­пу напівпровідникових приладів, так званих генераторів шуму. З виду вольт-амперах характеристик і схеми включення вони практично не відрізняються від стабілітронів. Режим їх роботи вибирається так, щоб зворотний струм (струм пробою) був менший, ніж I_CTmin. При малих струмах параметри напруги пробою нестабільні, в результаті чого виникають її коливання, які відбуваються випадковим чином (генерується напруга шумів). Спектр частот їх досить широкий (до 3,5MГц).

Діоди Гана засновані на використанні такого ж за назвою фізичного явища генерації високочастотних коливань електричного струму в напів­провіднику. Це наслідок того, що у деяких напівпровідникових мате­ріалів на вольт-амперній характеристиці е ділянка з негативним дифе­ренціальним опором, аналогічна характеристиці, що показана на рис. 1.13, в. При створенні у такому матеріалі електричного поля певної напруженості виникають коливання електричного поля. Частота їх визна­чається параметрами самого діода, а не параметрами зовнішньої резо­нансної системи, як це має місце, наприклад, в генераторах, виконаних на тунельних діодах.

1.3.5. Маркування напівпровідникових діодів.

Маркуваннянапівпровідникових діодів передбачає шість символів. Перший символ — літера (для приладів загального застосування) або цифра (для приладів спеціального призначення), що вказує вихідний напівпровідниковий матеріал, з якого виготовлений діод: Г(1) — герма­ній, К(2) — кремній; А(3) — арсенід галію. Другий символ - літера, яка позначає підклас діода: Д — випрямні, високочастотні (універ­сальні) імпульсні діоди; В — варикапи; C — стабілітрони і стабілітрони; Л — світлодіоди. Третій символ — цифра, що вказує призначення діода (у стабілітрона — потужність розсіяння): наприклад. 1,2 — вип­рямні, 3 — магнітодіоди, 4 — універсальні і т. п. Четвертий і п'ятий символи — двозначне число, що вказує порядковий номер розробки (у стабілітронів — номінальна напруга стабілізації). Шостий символ — літера, що означає параметричну групу приладу (у стабілітронів — послідовність розробки).

Приклади маркування діодів:

ГД412А — германієвий (Г), діод(Д), універсальний (4), номер розробки 12, група А ; КС196В — кремнієвий (К), стабілітрон (С), потужність розсіяння не більше 0,3 Вm (1), номінальна напруга стабілізації 9,6 В (96), третя розробка (В).

Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпусу вико­ристовується кольорове маркування у вигляді міток, що наносять на корпус приладу.

Основні відомості про конструктивне виконання і параметри силових діодів містяться в його позначенні. Так, наприклад, в умовному позна­ченні діода Д1С1-200-5-1,25-1,35 літера Д відповідає виду приладу (якщо діод має лавинну ВАХ у зоні зворотної напруги, то до літери Д додається літера Л), а цифри 1(31 вказують на певні конструктивні ознаки. Інші цифрові позначення вказують на те, що максимально допустимий се­редній прямий струм 200 А, максимальна зворотна напруга 500 В (5-й клас приладу по напрузі), межа зміни імпульсної прямої напруги від 1,25 В до 1,35 В. Інформація про значення прямої напруги є важливою для діодів, призначених для паралельної роботи. Для діодів з нормо­ваним значенням часу зворотного відновлення (частотних або діодів, що швидко відновлюються) в позначенні додається літера Ч і вказується група, що відповідає конкретному часу відновлення. Наприклад, позна­чення ДЧ161-200-5-2 на відміну від Д161-200-5 свідчить про те, що діод нормований не тільки за струмом (200 А) і класом зворотної напруги (500 В), але й має гарантований час зворотного відновлення не більше, ніж 4 мкс, що відповідає групі 2.

 

 

Лабораторне завдання.

2.1. Зняти вольт-амперні характеристики /ВАХ/ за допомогою вольтметра і міліамперметра, діода KД103Б и діода Шотки 1N5819 у прямому і зворотному напрямках.

Рис. 2.1.Схема дослідження діодів у прямому напрямку.

Рис. 2.2.Схема дослідження діодів у зворотному напрямку.

2.2.Скласти таблиці вимірів ВАХ для кожного діода.

Таблиця 2.1.

Iпр,мА
Uпр,В

Таблиця 2.2.

Iзв,мкА
Uзв, В

2.3. Побудувати графіки ВАХ діодів.

2.4. По побудованим ВАХ визначити параметри діодів: опір постійного струму - Rст, диференціальний опір - Rдиф і крутість характеристики - S.

2.5. Зробити висновки по виконаній роботі.

Прилади та устаткування.

· Змінний блок „Дослідження випрямляючих діодів”.

· Блоки вимірювання та живлення.

· Елементи комутації.

4. Рекомендації до виконання лабораторної роботи.

4.1.Ознайомитися з устаткуванням на робочому місці. Схема блоку наведена на с.24.

4.2.Виписати довідкові дані досліджуваних діодів.

4.3.Для зняття ВАХ діода VD1 - КД103Б у прямому напрямку – рис. 2.1 необхідно подати постійну напругу на блок, при цьому перемикач П2 повинний знаходитися положенні 1.

4.4.Між гніздами 1 і 2 увімкнути міліамперметр. До гнізд 3 і 4 увімкнути вольтметр. Гнізда 5 і 6 замкнути перемичкою .

4.5.Обертаючи ручку резистора R1, подавати напругу на діод і зняти 5-6 показань з міліамперметра і вольтметра.

4.6.Для зняття ВАХ діода VD1 - КД103Б у зворотному напрямку – рис. 2.2 необхідно вимикнути живлення блоку, змінити полярність напруги на вході схеми. Гнізда 1 і 2 замкнути перемичкою, між гніздами 5 і 6 увімкнути мікроамперметр.

4.7.Увімкнути живлення. Обертаючи ручку перемикача R1, подавати напругу на діод і зняти 5-6 показань з мікроамперметр і вольтметра.

4.8.Для зняття ВАХ діода VD2 - діода Шотки - 1N5819 перемикач П2 повинний знаходитися в положенні 2. Інші операції повторюються - п.п. 4.4 – 4.7.

5. Зміст звіту про виконану роботу.

5.1.Принципові схеми для зняття ВАХ із усіма приладами.

5.2.Довідкові дані досліджуваних діодів.

5.3.Таблиці експериментальних даних.

5.4.Графіки експериментальних залежностей.

5.5.Розрахункове визначення параметрів по ВАХ.

5.6.Висновки.

Контрольні запитання.

1. Намалюйте ВАХ напівпровідникового діода. Порівняйте її з теоретичною ВАХ p-n-переходу.

2. Розкажіть про вплив температури на ВАХ діода.

3. Якими параметрами характеризуються випрямні діоди?

4. Дати визначення напівпровідниковим матеріалам.

5. Що називається вільною зоною?

6. Що називається забороненою зоною?

7. Що називається валентною зоною?

8. Які види провідностей існують у напівпровідників? Їхні особливості.

9. Дати визначення домішкових напівпровідників.

10. Які включення діода називаються прямими і зворотними?

11. Що таке р-n-перехід у напівпровідниковому діоді і чому він має вентильну властивість?

12. Намалюйте вольт-амперну характеристику германієвого і кремнієвого діодів і перелічить їхні відмінності.

13. Що називається пробоєм p-n-переходу?

14. Як класифікуються напівпровідникові діоди?