Исследование полупроводниковых приборов (стр. 4 из 13)

R_i – дифференциальное сопротивление, которое называется еще внутренним, или динамическим: R_i =

. Оно определяется для линейного рабочего участка прямой ветви: R_i = (рис.6).

U_пор – пороговое напряжение, которое определяется по спрямленному линейному участку (рис. 6).

Р – мощность, рассеиваемая на переходе,

. Мощность Р нагревает переход, а тепло рассеивается в окружающую среду.

R_t – тепловое сопротивление, которое определяет способность диода рассеивать тепло, выделяемое на переходе. Значение установившегося теплового сопротивления переход-среда равно: R_{t пс уст} =

≠ [град/Вт].

u_пр – прямое падение напряжения; представляет собой мгновенное значение напряжения для значения прямого тока: I_пр = (2¸3)I_пред.

U_проб – обратное напряжение, при котором диод теряет вентильные свойства.

4.2. Предельные параметры диода.

I_пред – предельный ток – это максимально допустимое среднее значение тока в однополупериодной схеме выпрямления однофазного тока. Его значение зависит от типа охладителя и скорости охлаждающего воздуха или воды. По значению тока различают диоды малой, средней и большой мощности. К мощным диодам относятся диоды с током I_пред³ 10 А.

U_п – повторяющееся напряжение – это максимально допустимое импульсное напряжение, которое прикладывается к диоду в обратном направлении. По значению U_п определяется класс вентиля (класс = U_п/100). Выпрямительные диоды выполняются от 1 до 22 класса. Класс вентиля берется по импульсному напряжению, т.к. нагрузка выпрямителя носит индуктивный характер, а прерывание тока в индуктивности создает перенапряжение, которое складывается с синусоидальным напряжением.

U_неп – неповторяющееся напряжение – это максимально допустимое импульсное напряжение, которое прикладывается однократно к вентилю в аварийной ситуации. Повторное приложение напряжения U_неп снижает класс вентиля. Для вентиля большой мощности U_неп@U_п+200 В.

I_уд – ударный ток, который определяется для вентилей большой мощности – это максимально допустимая амплитуда одной полуволны, имеющей длительность 10 миллисекунд (рис. 8).

Рис.8. Ударный ток

[q_pn] – максимально допустимая температура p-n-перехода, которая для кремниевых диодов составляет величину 120 – 125⁰ С.

Р_доп – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на переходе.

Рис.9. Кривая максимально допустимой мощности рассеивания

Мощность Р_доп рассеивается при максимально допустимой температуре p-n-перехода: Р_доп = ([q_pn] – Т_окр)/R_t [Вт], где Т_окр – температура окружающей среды. Построение линии Р_доп = 1 Вт для диода с предельным током 10 А показано на рис.9. Для построения кривой составляется таблица 1. В ней задается значение тока, по которому вычисляется значение напряжения U = Р_доп/I.

Таблица 1 – Значения тока и напряжения для P_доп = 1 Вт

I, А	1,0	2,0	5,0	10
U, В	1,0	0,5	0,2	0,1

5. Схема замещения диода

.

Схема замещения диода приведена на рис.10, где r_э и r_б – омические сопротивления слоев эмиттера и базы;

r_pn – дифференциальное сопротивление p-n-перехода. Омические сопротивления слоев определяются известным выражением:

.

Дифференциальное сопротивление r_pnопределяется выражением

. В прямом направлении r_pnочень мало, поэтому внутреннее сопротивление диода определяется сопротивлением базы: R_i@r_б. В обратном направлении омические сопротивления слоев много меньше r_pn, поэтому R_обр@r_pn.

Одноименная область зарядов на p-n-переходе представляет собой диэлектрик, а прилегающие слои полупроводников – обкладки конденсатора, поэтому в схеме замещения появляется емкость p-n-перехода. Различают барьерную и диффузионную емкости.

Барьерная определяется для обратного включения диода. Она зависит от распределения зарядов в p-n-переходе, которое, в свою очередь, зависит от обратного напряжения U_обр. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения приведена на рис.11. В общем случае характеристика носит нелинейный характер, но можно выделить на ней линейный участок. С увеличением обратного напряжения емкость С_pn уменьшается. Изменение емкости p-n-перехода используется в диодах – варикапах.

Рис.11. Зависимость барьерной емкости от напряжения и условное обозначение варикапа

Диффузионная емкость определяется для прямого включения диода. Она зависит от распределения зарядов в базе, т.к. ширина перехода становится очень малой. Распределение зарядов в базе зависит от прямого тока.

Емкость С_pn влияет на скорость изменения концентрации основных носителей, когда в схеме действуют высокочастотные сигналы или прямоугольные импульсы, поэтому, как параметр, емкость С_pn используется при расчете переходных процессов. Для уменьшения влияния С_pn необходимо иметь меньшее значение емкости.

Экспериментальная часть

1. Снятие вольтамперной характеристики кремниевого диода D226 методом амперметра-вольтметра

Резистор R_б (балластный) служит для ограничения тока, шунт R_ш – для снятия осциллограммы тока, потенциометр П₂ – для регулирования питающего напряжения. Снять зависимость тока диода от напряжения на нем I_а = F(U_a). Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Примерные значения тока и напряжения диода

Iа, мА	0	5	10	30
Ua, В	0-0,60	0,70	0,75	0,78

При изменении полярности питающего напряжения необходимо изменить подключение миллиамперметра и вольтметра.

Построить вольтамперную характеристику. Определить по ней пороговое напряжение, дифференциальное сопротивление, обратный ток, прямое падение напряжения при токе 30 мА. Определение параметров показано на рис.13.

Рис.13. Определение параметров диода по вольтамперной характеристике

2. Снятие вольтамперной характеристики выпрямительных диодов при помощи осциллографа

Собрать схему, приведенную на рис.14.

Рис.14. Схема для снятия вольтамперной характеристики диода при помощи осциллографа: Х – горизонтальный вход осциллографа, Y – вертикальный вход

Зарисовать вольтамперные характеристики диодов: кремниевого типа D226 и германиевого типа D7А. Для каждого диода снять 2 характеристики: без делителя напряжения и с делителем, причем, К_дел = 4. Определить масштабы тока и напряжения. По характеристикам определить пороговое напряжение, прямое падение напряжения при токе 30 мА. Сравнить параметры в пунктах 1 и 2. Сравнить параметры кремниевого и германиевого диодов.

3. Снятие вольтамперной характеристики туннельного диода при помощи осциллографа.

Собрать схему, приведенную на рис.15.

Рис.15. Схема для снятия вольтамперной характеристики туннельного диода при помощи осциллографа

Схема позволяет снять прямую ветвь характеристики. Перед началом опыта движок потенциометра поставить в положение, показанное на рис.15. Внимание! Постепенно увеличивать напряжение от нуля.

Рис.16. Вольтамперная характеристика туннельного диода

По характеристике определить дифференциальные сопротивления на разных участках прямой ветви, пиковый ток, ток впадины, отношение пикового тока к току впадины,напряжение пика, напряжение впадины(рис.16.) При оформлении отчета представить таблицы измерений и обработанные осциллограммы. Сделать выводы по каждому пункту.

Внимание! Тумблер «Усилитель Y» держать в положении «x10».

Контрольные вопросы

1. Пояснить образование несимметричного ступенчатого p-n-перехода.

2. Как изменить сопротивление p-n-перехода?

3. Почему возрастает ток при прямом включении p-n-перехода, а при обратном включении p-n-переход закрыт?

4. Что показывают предельные параметры диода?

5. Перечислить характеризующие и предельные параметры выпрямительного диода?

6. Что такое ток термогенерации?

7. Причины возникновения пробоя p-n-перехода.

8. Как определить класс вентиля?

9. Как зависит вид вольтамперной характеристики диода от концентрации примесей в слоях?

10.Как снимается вольтамперная характеристика диода?

Таблица вариантов

№ вар.	Uпор, В	Ri, Ом	Pдоп, Вт	Iп, А	№ вар.	Uпор, В	Ri, Ом	Pдоп, Вт	Iп, А
1	0,40	0,80	0,32	0,40	13	0,40	0,90	0,32	0,40
2	0,50	0,80	0,50	0,50	14	0,50	0,90	0,40	0,50
3	0,60	0,80	0,70	0,60	15	0,60	1,50	0,24	0,30
4	0,45	0,75	0,70	0,70	16	0,45	1,20	0,24	0,30
5	0,65	0,70	0,75	0,80	17	0,65	1,30	0,28	0,35
6	0,40	0,70	0,80	0,90	18	0,40	0,75	0,70	0,80
7	0,45	0,60	1,0	1,0	19	0,45	0,65	1,10	1,0
8	0,50	0,20	1,50	2,50	20	0,50	0,25	1,45	2,50
9	0,40	0,10	3,0	5,0	21	0,40	0,10	3,50	5,0
10	0,45	0,10	4,0	7,0	22	0,45	0,09	5,0	7,0
11	0,50	0,08	6,0	8,0	23	0,50	0,07	6,0	8,0
12	0,40	0,05	8,0	10,0	24	0,40	0,05	8,0	10,0

Примечание: Студенты, получившие подвариант А, строят вольтамперную характеристику диода; получившие подвариант Б – строят кривую максимально допустимой мощности рассеивания; получившие подвариант В – составляют таблицу параметров для выпрямительных диодов большой мощности.