Выпрямительный диод
Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе
Лабораторная работа №1
СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО СДАЧА
Отчет по лабораторной работе является документом о проделанной работе. Отчет должен содержать номер и название лабораторной работы, ее цель, краткие теоретические сведения, схемы электрических цепей. Отчет составляется каждым студентом самостоятельно.
При оформлении отчета обязательно следует соблюдать требования ЕСКД. Схемы выполняются с применением чертежных инструментов. При составлении схем должны соблюдаться стандартные условно-графические и позиционные обозначения соответствующие ГОСТ.
После выполнения лабораторной работы и подготовки отчета, проводиться его сдача. Студенты должны знать ответы на контрольные вопросы, уметь пояснить принцип работы лабораторной установки по схемам.
Сдача отчета по лабораторной работе проводиться в определенное преподавателем время.
1. Цель работы
Целью работы является:
• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;
• исследование работы полупроводниковых выпрямителей.
2. Сведения, необходимые для выполнения работы
Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:
• устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов;
• ВАХ полупроводниковых приборов;
• схемы включения полупроводниковых диодов;
• принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей.
Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) p-n-переходов, называется диодом.
Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.
Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции такие диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).
Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В.
Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.
Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.
Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U на переходе описывается уравнением Эберса-Молла:
, (1.1)
где Is - обратный ток насыщения диода, а φТ - тепловой потенциал.
Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой потенциал φТ= 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:
(1.2)
Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:
(1.3)
Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:
или
При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:
(1.5)
где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.
На рисунке 1.1а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рисунке 1.1б. Электрод диода, подключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области n, -катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рисунок 1.1в.
Рисунок 1.1 - Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода