Измерение параметров полупроводниковых диодов

Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупрово­дниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготов­ления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рас­смотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясня­ется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев p-n-перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспе­чения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определен­ных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами p-n-перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляет­ся вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряже­ние. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напря­жения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрас­тает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необрати­мым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются обла­сти с различным дифференциальным сопротивлением R_диф = , поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При изме­рении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, 6) следует задавать постоянный ток I_пр и измерять падение прямого напряжения U_пр . Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо­димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Рис. 6.1. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (6) И обратной (в) ветвях

 

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспе­чивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение U_првыпол­няет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектриче­ской системы.

При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 6.1. в) необходимо задаваться силой обратного тока I_обри из­мерять обратное напряжение U_{обр .}При этом источник питания Е, ко­торым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения об­ратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратно­го напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольт­метром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на пря­мой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: U_пр— прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока I_пр; R_диф— дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: U_обр — постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоян­ного обратного тока, протекающего через диод: I_обр - сила постоянного обратного тока, протекающего через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения U_обр ; U_{обр. max} — наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

k_выпр = I_пр / I_обр = R_обр / R_пр (6.1)

 

Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые па­раметры измеряют в определенных точках. Например. U_пр, I_пр, I_обр измеряют с помощью специальных измерителей параметров дио­дов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики I_выпр( f ) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода

 

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота f_гр, при которой сила выпрямлен­ного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряже­ние неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор R1обеспечивает согласова­ние сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила конт­ролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы ем­костное сопротивление при минимальной частоте подводимого напря­жения было значительно меньше сопротив­ления резистора R1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость p-n-перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого на­пряжения (рис. 6.3).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения на­пряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окру­жающей среды +20... +50 °С. если это не оговорено особо.

Изменение температуры заметно влияет на все основные парамет­ры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основ­ным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому из­менению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа по­лученных результатов определяют максимально и минимально допу­стимые температуры для диода конкретного типа.

return false">ссылка скрыта

У выпрямительных диодовизмеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатацион­ные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежно­стью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характе­ризуются максимальной силой прямого тока I_пр.maxи обратного напря­жения U_обр.max , максимально допустимой мощностью Р_max , рассеивае­мой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

 

Р = Р_пр + Р_обр(6.2)

 

Из-за малости обратного тока значением Р_обробычно пренебрегают и тогда

 

Р = Р_пр = 2U_пр.ср · I_пр.ср (6.3)

 

У высокочастотных диодовизмеряют практически все те же па­раметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измере­ния параметров диод должен быть защищен от воздействия электро­магнитного поля.

Уимпульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют спе­циальные параметры (характеризующие инерционность диодов): вре­мя восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, со­противление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются по­тери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей полны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

Упараметрическихиумножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предель­но допустимым напряжением измеряют добротность диода на задан­ной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабили­зации.