Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода. Какая часть вольт амперной характеристики германиевого диода отражает
Вольт-амперная характеристика | Практическая электроника
ВАХ — это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.
Немного теории
Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе :-). Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы все помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости «У» от «Х»:
Не утомил еще я вас математикой ? 🙂 Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет сила тока, а вместо Х — напряжение. И система отображения у нас будет выглядеть вот так:
Вольт-амперная характеристика резистора
Давайте попробуем начертить график зависимости тока от напряжения для резистора. Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть одновременно значение тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания и резистор и начинаем делать замеры:
Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.
Вторая точка: U=2.6, I=0.01
Третья точка: U=4.4, I=0.02
Четвертая точка: U=6.2, I=0.03
Пятая точка: U=7.9, I=0.04
Шестая точка: U=9.6, I=0.05
Седьмая точка: U=11.3, I=0.06
Восьмая точка: U=13, I=0.07
Девятая точка: U=14.7, I=0.08
Давайте построим график по этим точкам:
Опа на! Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной ВАХ.
Вольт-амперная характеристика диода
Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.
Первая точка: U=0,I=0.
Вторая точка: U=0.4, I=0.
Третья точка: U=0.6, I=0.01
Четвертая точка: U=0.7,I=0.03
Пятая точка: U=0.8,I=0.06
Шестая точка: U=0.9,I=0.13
Седьмая точка: U=1, I=0.37
Строим график по полученным значениям:
Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольтамперная характеристика называется НЕлинейной. Для каждого диода своя ВАХ. Где-то она круче, где-то ближе к оси силы тока I. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольта
Давайте же рассмотрим подробнее ВАХ диода:
На графике, на котором мы с вами сами строили ВАХ диода, мы начертили только правую часть графика. Почему? Давайте рассмотрим характеристику диода, который мы с вами пытали. Он называется КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете:
Обратное максимальное напряжение Uобр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение 700 Вольт. Поэтому, я бы никак не смог показать вам лавинный пробой с помощью своего блока питания, который выдает максимум 15 Вольт.
Максимальный прямой ток Iпр — это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера. Так как у нас зависимость тока от напряжения, следовательно ток зависит от напряжения :-). Если продолжить ветку ВАХ на нашем графике, то можно сказать, что прямое напряжение не должно превышать на таком диоде приблизительно 1,4 Вольта.
Так же есть такой параметр, как максимальная частота F, которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.
Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды. Поэтому надо обязательно читать маркировку и смотреть в справочник, чтобы точно знать, что это за радиоэлемент. С первого взгляда и не различишь.
Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате этого, напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.
Резюме
ВАХ — это вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость тока от напряжения на радиоэлементе.
Элементы, имеющие прямую ВАХ называются линейными элементами. Элементы, которые имеют ВАХ в виде какой-либо функции называются элементами с нелинейной ВАХ.
Транзисторы имеют семейство ВАХ.
www.ruselectronic.com
Общая информация, конструктивные особенности и особенности вольт-амперных характеристик
ГлавнаяВольтВольт амперная характеристика выпрямительного диода
|
Выпрямительные диоды применяются в цепях управления, коммутации, в ограничительных и развязывающих цепях, в источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения, где не предъявляются высокие требования к частотным и временным параметрам сигналов. В зависимости от значения максимального выпрямляемого тока различают выпрямительные диоды малой мощности (\(I_{пр max} \le {0,3 А}\)), средней мощности (\({0,3 А} < I_{пр max} \le {10 А}\)) и большой мощности (\(I_{пр max} > {10 А}\)). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды средней и большой мощности должны располагаться на специальных теплоотводящих радиаторах, что предусматривается в т.ч. и соответствующей конструкцией их корпусов. Обычно, допустимая плотность тока, проходящего через \(p\)-\(n\)-переход, не превышает 2 А/мм2, поэтому для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют плоскостные \(p\)-\(n\)-переходы. Такие переходы имеют существенную емкость, что ограничивает максимальную допустимую рабочую частоту (\(f_р\)) выпрямительных диодов. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов отличаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов различаются. На рис. 2.3‑1 для сравнения показаны типичные ВАХ для германиевых и кремниевых выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды.
Рис. 2.3-1. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов при различных температурах окружающей среды
По приведенным ВАХ видно, что обратный ток кремниевых диодов значительно меньше обратного тока германиевых диодов. Кроме того, обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в \(p\)-\(n\)-переходе и токами утечки по поверхности кристалла. При подаче обратного напряжения превышающего некий пороговый уровень происходит резкое увеличение обратного тока, что может привести к пробою \(p\)-\(n\)-перехода. У германиевых диодов, вследствие большой величины обратного тока, пробой имеет тепловой характер. У кремниевых диодов вероятность теплового пробоя мала, у них преобладает электрический пробой. Пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому у них, в отличие от германиевых диодов, пробивное напряжение повышается с увеличением температуры. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов. Обратные токи в значительной степени зависят от температуры перехода. Из рисунка видно, что с ростом температуры обратный ток возрастает. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых — в 2,5 раза. Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет 75...80 °С, а кремниевых — 125 °С. Существенным недостатком германиевых диодов является их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам. Вследствие меньшего обратного тока кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому мощность, рассеиваемая при одинаковых токах, в германиевых диодах меньше, чем в кремниевых. Прямое напряжение при малых прямых токах, когда преобладает падение напряжения на переходе, с ростом температуры уменьшается. При больших токах, когда преобладает падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, зависимость прямого напряжения от температуры становится положительной. Точка, в которой отсутствует зависимость прямого напряжения от температуры (т.е. эта зависимость меняет знак), называется точкой инверсии. У большинства диодов малой и средней мощности допустимый прямой ток, как правило, не превышает точки инверсии, а у мощных диодов допустимый ток может быть выше этой точки.
|
www.club155.ru
Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи
Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.
Полупроводниковый диод
Свойства и вольт-амперная характеристика
Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.
Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.
Типовая ВАХ
Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.
В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.
Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.
Проверка характеристик
В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:
- Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
- Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
- Наибольший обратный ток;
- Падение напряжения при различном прямом токе.
Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p
xn----7sbeb3bupph.xn--p1ai
Характеристика диодов
История возникновения диода
Возникновение диода обязано ученому из Великобритании Фредерику Гутри и немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну. В 1873 и 1874 годах они открыли принцип работы термионных диодов и принцип работы кристаллических диодов. Позже термионными диодами стали называть специализированные вакуумные лампы. В начале 1880 года Томас Эдиссон повторно задокументировал работу термионного диода, но развитие этого радиоэлектронного компонента произошло только через 9 лет, когда немецкий ученый Карл Браун показал действие выпрямителя на кристалле. В начале 20 века Гринлиф Пикард предъявил публике первый радиоприемник, в основе которого был положены свойства диода реагировать на электромагнитные колебания. Промышленный выпуск диодов термионного типа (ламповых диодов) был налажен в Британии с разрешения Джона Флеминга в 1904 году, а через 2 года американец Пикард запатентовал первый детектор из кристаллов кремния. Современную терминологию слова «диод» (от греч. «di» - два, «odos» - путь) ввел Вильям Генри Иклс в 1919 году. В СССР главную роль в развитии полупроводниковых компонентов сыграл физик Б. М. Вул.
Первое развитие получили ламповые диоды или кенотроны (электровакуумные диоды), а так же газонаполненные диоды (газотроны, стабилитроны, игнитроны). Однако основной вклад в развитие радиоэлектронных компонентов внесли полупроводниковые диоды на основе кремния и германия.
Физические основы работы диода
Открытый в 1882 году химический элемент «германий» Клеменсом Винклером в процессе изучения в электричестве позволил выявить эффект полупроводника тока. Эксперименты физиков для получения одностороннего проводника тока привели к такому результату, что если к германию присоединить акцепторную примесь (барий, алюминий, галлий или индий), способную захватывать электроны, накопленные в германии, то в результате получится электронный элемент, способный пропускать электроны только в одну сторону (от германия к акцепторной смеси). Как мы знаем, электрон – это отрицательно заряженная частица, притягивающаяся к положительной частице, однако в электронике принято обозначение перемещения тока от плюса к минусу. Таким образом, диод представляет собой смесь германия или кремния с акцепторным материалом. Германий, за счет накопленных электронов несет в себе отрицательный N заряд (N - negative), а акцепторная смесь насыщается положительными P ионами (P - positive). Процесс протекания тока из P области в N область через место «соединения» или p-n переход и есть принцип работы диода. Его особенностью является возможность протекания тока только в одном направлении, поэтому диод является однонаправленным полупроводником. Отрицательно заряженную сторону с германием принято называть «катодом», а положительно заряженную половину «анодом». На схемах диод обозначается в виде направления протекания тока в виде стрелки к отрицательно заряженной стороне.
Когда диод не подключен к источнику питания, p-n переход находится в состоянии покоя. И в результате притягивания электронов к положительным ионам происходит их дрейф через переход. Такой процесс называется «диффузией», предусматривающий притягивание электронов через переход к «дыркам» положительных ионов. Диффузионное движение из-за постоянно меняющейся концентрации ионов и электронов происходит возле перехода постоянно.
При подключении к p-n структуре внешнего источника напряжения или напряжения смещения происходит изменение условий переноса заряда через переход. Важным фактором здесь становится полярность внешнего напряжения, подключенного к аноду и катоду диода.
Прямое подключение напряжения к p-n структуре
При прямом включении диода, когда плюс источника питания подключен к p-области, а минус к n-области происходит прямое протекание тока через переход. При этом электроны, находящиеся в n-области за счет подключенного минуса источника питания будут передвигаться ближе к переходу. Собственно, с положительно заряженными частицами в p-области будет происходить то же эффект. В результате p-n переход будет заполняться электронами в «дырках» (положительных ионах). Возникнет электрическое поле, которое позволит свободным электронам преодолеть сопротивление перехода, пройти барьерную зону и p-область к положительному контакту источника питания. В данной цепи возникнет электрический ток, который называют прямым током смещения перехода. Величина этого тока будет ограничена техническими характеристиками диода.
Момент, когда создается электрическое поле в p-n переходе на положительной ветви Вольт - Амперной Характеристики диода (ВАХ) отмечен некоторым напряжением ∆Ua. Это напряжение определено не только силой тока, но и сопротивлением самого p-n перехода. Чем ниже это сопротивление, тем меньше необходимо энергии для того, чтобы открыть переход, а так же его закрыть. Отступив от темы статьи, стоит сказать, что энергия в переходе при исчезновении питания моментально не пропадает. Происходит эффект рассасывания заряда, обусловленный емкостью перехода. Чем ниже эта емкость, тем быстрее диод перейдет в «выключенное» состояние с успокоением всех переходных процессов в p-n переходе. Этот параметр очень важен в частотных диодах, о которых мы расскажем ниже. В современных диодах значения напряжения ∆Ua варьируется от 0,3 до 1,2 вольта (кремний 0,8 – 1,2В., германий 0,3 – 0,6В.) в зависимости от мощности диода. Так же его называют падением напряжения p-n перехода.
Обратное подключение напряжения к p-n структуре
При подключении к диоду питания в обратном направлении происходит увеличение сопротивление p-n перехода и барьер возрастает, вследствие того, что электронам в n-области и свободным ионам в p-области легче соединиться с зарядом источника питания. При увеличении напряжения питания происходит лавинообразный отток заряженных частиц от перехода. В результате диод переходит в закрытое состояние из-за обратного напряжения.
На обратной ветви ВАХ участок 0 – 1 обусловлен небольшим обратным напряжением. При этом увеличение обратного тока наблюдается за счет уменьшения диффузионной составляющей. Другими словами в p и n областях присутствуют неосновные носители. Даже когда диод закрыт, через барьер при малом напряжении они могут протекать из одной области в другую. Значение этого тока несоизмеримо мало по сравнению с прямым током, поскольку количество неосновных носителей в разных областях p и n минимально. Начиная с точки 1 основные носители уже не способны преодолеть барьер, а диффузионные неосновные носители полностью рассасываются в свои области переходов. Этим объясняется отсутствие роста тока при увеличении обратного напряжения. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры сплава (иначе «кристалла»), то обратный ток будет увеличиваться в зависимости от увеличения температуры кристалла. Именно поэтому его называют тепловым. Это лавинообразный процесс и он подчиняется экспотенциальному закону. Именно из-за обратных токов диоды начинают греться и их устанавливают на теплоотводы. Если значение обратного тока будет выше предусмотренного диодом, то начнется неконтролируемый процесс так называемого теплового пробоя, после которого следует электрический пробой, приводящий диод в негодность. Стабильная работа кремниевых диодов возможна при температуре 130 – 135 градусов. Разрушение кристалла германиевых диодов происходит при температуре 50 – 60 градусов.
Полная вольт – амперная характеристика диода
Вольт – амперная характеристика отображает зависимость протекающего через диод тока от величины приложенного прямого и обратного напряжения. Чем круче и ближе к оси Y прямая ветвь и ближе к оси X его обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. 
При несоизмеримо большом обратном напряжении у диода наступает электрический пробой. При этом резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода возможна в том случае, если приложенное к нему обратное напряжение не превышает максимально допустимое, называемое пробивным напряжением. Как мы уже писали, токи диодов зависят от температуры кристалла. На каждый градус падение напряжения на p-n переходе изменяется на 2мВ. Если температура кристалла растет вверх, то обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, у кремниевых диодов обратный ток растет в 2,5 раза на каждые 10 градусов. При этом пробивное напряжение при увеличении температуры понижается.
Конструктивное исполнение диодов
По технологическому исполнению диоды могут быть плоскостные и точечные. P-n переход плоскостных диодов (на рисунке б – плоскостной сплавной диод) выполняется на границе двух слоев в полупроводнике. Слои имеют электропроводимость разных типов. За счет большей площади перехода плоскостные диоды могут пропускать большие токи через себя. Их недостатком является большая переходная емкость , что ограничивает применение плоскостных диодов в высокочастотной технике. Однако, есть гибридные диоды, сочетающие в себе и малую емкость, и малое переходное сопротивление, и возможность пропускать большие токи. Примером может быть отечественный диод КД213.
У точечных диодов p-n переход изготовляется в месте контакта полупроводниковой пластины с острием металлической иглы. Современные диоды производят с применением германия, кремния, фосфида и арсенида галлия. 
Типы и характеристика диодов
Выпрямительные диоды
Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменных токов на частотах, как правило, ниже 50 кГц. Конструктивное исполнение таких диодов преимущественно плоскостное. За счет этого диоды позволяют проводить через себя большие выпрямленные токи. Большей частью материалом изготовления выпрямительных диодов является кремний за счет устойчивости к температурным изменениям. Основными параметрами, определяющими характеристику диода, являются:
Uпр. – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном постоянном прямом токе.
Uобр. – постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении.
Iпр. – постоянный ток, протекающий через диод при подключении в прямом направлении.
Iобр. – постоянный ток, протекающий через диод, включенный в обратном направлении.
Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.
Iобр.ср. – обратный ток, усредненный за период.
Rдиф. – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Кроме того, всех типов существуют ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ, определяющие их максимальные технические возможности, к которым относятся:
Uобр.max – максимальное напряжение, приложенное при обратном включении диода.
Iпр.max – максимально допустимый постоянный прямой ток (один из важнейших параметров).
Iпр.ср.max – максимально допустимый средний прямой ток.
Iвп.ср.max – максимально допустимый средний выпрямленный ток.
К дополнительным параметрам относится интервал рабочих температур.
Выпрямительные диоды широко применены в электронной схемотехнике. На их основе нередко можно встретить диодные мосты для изменения формы тока из переменного в постоянный.
Современное развитие электроники невозможно без применения высокочастотных диодов.
Высокочастотные диоды
Данные диоды используются в широком диапазоне частот вплоть до нескольких сотен мегагерц и выше. Чаще всего их применяют для модуляции и детектирования, а так же в высокочастотных радиоцепях. В качестве высокочастотных диодов используются элементы, выполненные в точечном исполнении из-за малой емкости перехода.
Для таких диодов дополнительно важны две характеристики, это максимальная рабочая частота в МГц и емкость диода в пФ.
Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов. В силовой схемотехнике мощные импульсные диоды могут работать в качестве выпрямителей. Примером может служить импульсный блок питания, где они используются во вторичной цепи после импульсного трансформатора. Так же импульсные диоды применяют в телевизионной технике (детекторах видеосигналов), в ключевых и логических устройствах. Различают двух и трех электродные импульсные диоды (спаренные). Трех электродные диоды могут быть с общим анодом или с общим катодом. Для импульсных диодов свойственны следующие дополнительные характеристики:
Uпр.и – пиковое прямое напряжение при заданном импульсе тока.
Uобр.и – соответственно, обратное напряжение в пике как однократное, так и периодически повторяющееся.
Сд – общая емкость диода при заданных напряжениях и частоте. Большой параметр Сд снижает частотные свойства диода. Так же от значения Сд напрямую зависит следующий параметр.
τ вос – время восстановления с момента окончания импульса тока в состояние заданного обратного запирающего напряжения (окончание переходных процессов рассасывания заряда в p-n переходе)
Qпк – часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при реверсивном изменении тока с прямого значения на обратное.
Одним из основных параметров диодов Шотки является
Iпр.и max – максимально допустимый ИМПУЛЬСНЫЙ прямой ток.
Стабилитроны и стабисторы
Данный тип диодов необходим в цепях стабилизации напряжения при изменении проходящего через диод тока. Его основными характеристиками является:
Uст - напряжение стабилизации.
Iст. max и Iст. min – максимальный и минимальный ток стабилизации.
Pmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Для стабилитронов рабочим является пробойный участок ВАХ. На рисунке он отмечен расстоянием между точками Iст.min и Iст.max. На этом участке напряжение на стабилитроне остается постоянным при существенном изменении значения тока. Для стабисторов рабочим является прямой участок ВАХ. Так же существуют двуханодные стабилитроны, включающие в себя два встречно включенных p-n перехода. Каждый из этих переходов является основным при изменении полярности его подключения.
Варикап
Специальный полупроводниковый диод. Его емкость p-n перехода изменяется в значительных пределах в зависимости от приложенного к нему обратного напряжения. В случае увеличения обратного напряжения, емкость перехода уменьшается и наоборот. Варикапы активно применяются в гетеродинах (радиоблоках, где необходима регулировка частоты). К примеру, варикап довольно часто можно встретить в FM – радиоприемниках. К основным характеристикам варикапа относятся:
Сн – измеренная емкость при заданном напряжении.
Кс – соотношение емкостей при минимальном и максимально допустимом напряжении.
Iобр – максимальный ток, протекающий через варикап в обратном напрявлении. (ток утечки).
Туннельный диод
Туннельный диод используется в высокочастотных усилителях и генераторах электрических колебаний (например телевизионных усилителях). Кроме того его применяют в различных импульсных устройствах. Его особенностью является участок А-В с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяющим отношение между изменением напряжения к приращению тока. К его дополнительным параметрам относятся:
Iп – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором приращение тока к напряжению равняется 0.
Lд – индуктивность диода, препятствующая прохождению высокочастотного сигнала.
Кш – шумовая составляющая диода.
Rп – сопротивление потерь туннельного диода.
Диод Шоттки
Популярный диод в радиотехнике за счет малого шума и высокого быстродействия. Его относят к подвиду импульсных диодов. Технологически диод Шоттки выполняется из структуры металл-полупроводник. Применение диодов с барьером Шоттки самое разнообразное, от ATX блоков питания ПК, до СВЧ устройств. Переход диода Шоттки выполнен по принципу p-i-n, где в качестве i выступает высокоомный слаболегированный полупроводник. Под действием напряжения изменяются его частотные характеристики, что позволяет использовать диод в схемах управления сигналами, например аттеньюаторах, ограничителях уровня, модуляторах. Мощные диоды Шоттки могут использоваться в качестве выпрямительных радиоэлементов частотных блоков питания.
Светодиод
Специальный тип диода, который может создавать некогенерентное излучение (испускание видимых фотонов света атомами p-n перехода). В зависимости от количества легирующего материала изменяют длину спектра. За счет этого светодиоды могут изготавливать разных цветов. Применение светодиода самое широкое: от сигнальных цепей оповещения, до бытового освещения. Кроме того, при использовании специальных материалов изготовления светодиод может излучать в инфракрасном спетре. Это свойство нашло ему применение в пультах дистанционного управления и других электронных устройствах. Современные светодиоды выполняются на большие мощности (до 10Вт.) p-n переход очень чувствителен к токовым изменениям, поэтому для его использования необходим специализированный драйвер, представляющий собой стабилизатор / регулятор тока.
Фотодиод
Часто применяется для приема инфракрасного светового спектра, а так же в цепях гальванической развязки. Кроме того, первые солнечные батареи использовали именно фотодиод. Совместно с излучающими диодами или транзисторами может организовывать единое устройство, называемое оптопарой. Работа фотодиода основана на фотогальваническом эффекте, при котором за счет разделения электронов и дырок в p-n переходе начинает появляться ЭДС. В зависимости от степени освещенности уровень вырабатываемой ЭДС в фотодиоде так же изменяется.
elektronika-muk.ru
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода
Что такое идеальный диод?
Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс — к аноду, минус — к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это выглядит на графике:
Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.
ВАХ реального полупроводникового диода
Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.
Vϒ(гамма) — напряжение порога проводимости
При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения — Vϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.
ID_MAX — максимальный ток через диод при прямом включении
При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
IOP – обратный ток утечки
При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока IOP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.
PIV(Peak Inverse Voltage) — Напряжение пробоя
При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.
Паразитическая емкость PN-перехода
Даже если на диод подать напряжение значительно выше Vϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.
Приближенные модели диодов
В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ»
Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости Vϒ.
Приближенная модель диода «идеальный диод + Vϒ + rD»
Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.
hightolow.ru
Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи
Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.
Полупроводниковый диод
Свойства и вольт-амперная характеристика
Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.
Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.
Типовая ВАХ
Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.
В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.
Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.
Проверка характеристик
В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:
- Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
- Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
- Наибольший обратный ток;
- Падение напряжения при различном прямом токе.
Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода.
Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него.
Видео
Оцените статью:elquanta.ru
Исследование ВАХ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
(СГАУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
САМАРА
2013
Авторы-составители: Малыгин Н.А., Потудинский А.А., Гудков С.А.
УДК 621.38
Исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов: метод. указ. к лаб. работе/Самарский гос. аэрокосмический ун-т; Сост.: Н.А. Малыгин, А.А Потудинский, С.А. Гудков, Самара, 2013, 16с.
Приведены краткие теоретические сведения об основных параметрах полупроводниковых диодов, охарактеризованы основные их типы, а также сведения и основных параметрах биполярных транзисторов и особенности их вольт-амперных характеристик. Даны указания по выполнению работы, оформлению отчета, контрольные вопросы
Методические указания предназначены для студентов специальностей 210201, 211000, 160903, 162500, изучающих курсы «Аналоговая и цифровая электроника», «Основы радиоэлектроники», «Основы радиоэлектроники и связи», «Основы теории радиотехнических систем» и «Основы электроники»
Составлены на кафедре 'Радиотехнические устройства"
Рецензент:
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ (шифр 87Л-01(1))
Цель работы: изучить основные параметры полупроводниковых диодов и снять их вольт-амперные характеристики.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 Особенности полупроводниковых диодов
Полупроводниковый диод представляет собой электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним р-n- переходом b двумя внешними выводами от областей кристалла с разными типами электропроводности. Именно р-n- переход является основой любого полупроводникового диода и определяет его свойства, технические характеристики и параметры [1—3]. Как и р-n- переходы , диоды по конструктивно-технологическому принципу подразделяют на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные диоды. Точечные диоды, имеющие малую емкость р-n-перехода, используются лишь в весьма высокочастотном диапазоне и при малых токах.
Теоретическая связь между прямым током Iпр и приложенным к р-n-переходу прямым напряжением Uпр определяется выражением
Iпр = I0 - (еVнр/γϕт-1), (I)
где I0— обратный ток насыщения или тепловой ток;
γ — коэффициент, равный единице для германия и одному-двум для кремния; ϕт= kT/q — температурный потенциал; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.
Значение обратного тока I0 можно определить из уравнения (I), заменив значение Uпр на Uo6p . Учитывая, что в рабочей части диапазона обратных токов ϕт << |Uo6p|, получим Iобр = I0. Ток Iобр по значению много меньше Iпр . Прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики показаны на рисунке 1.а. Вольт-амперные характеристики диодов проходят через нуль, но достаточно заметный ток появляется у германиевых диодов лишь при напряжении 0,1—0,2 В, а у кремниевых — при напряжении 0,5—0,6 В (рисунок 1.б).
Из соотношения (I) следует, что значение и направление тока, проходящего через р-n-переход, зависят от значения и знака приложенного напряжения. При прямом смещении р-n-перехода его сопротивление незначительно, а ток большой. Обратное смещение на переходе обусловливает значительно большее сопротивление в обратном направлении при малом обратном токе. Таким образом, р-n-переход обладает свойством односторонней проводимости или вентильности, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока. Если обратное напряжение превышает некоторое значение Uобр.пр (рис. 1, а), называемое пробивным, то обратный ток Iобр резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой р-n-перехода, сопровождаемый частот тепловым пробоем. Кратковременный электрический пробой не разрушает р-n-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом же пробое происходит недопустимый перегрев р-n-перехода и он выходит из строя.
Рисунок 1 - Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов: а — прямая и обратная ветвь; 6 — влияние материала полупроводника
С ростом температуры возрастают как прямой, так и обратный ток. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода при более высокой температуре показана на рисунке 1.а пунктирной линией. Характеристики реальных диодов отличаются от характеристик, описываемых выражением (I). Обратный ток обычно несколько возрастает при возрастании обратного напряжения. При достаточно больших прямых токах из-за падения напряжения на объемном сопротивлении материала полупроводника экспоненциальная прямая характеристика диода вырождается: ее наклон становится меньше, но она остается нелинейной.
1.2 Основные типы полупроводниковых диодов и их параметры
Полупроводниковые диоды находят широкое применение в решении схемотехнических вопросов всех направлений промышленной электроники. Малые массы и габариты, высокое сопротивление обратному и малое сопротивление прямому току, высокое быстродействие позволяют применять их практически в любых изделиях современной электронной техники. По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, импульсные, опорные (стабилитроны), фото- и светодиоды и др.
Выпрямительные диоды. Наиболее часто выпрямительные диоды применяют в качестве выпрямителей переменного тока низкой частоты (50—100000 Гц). Кроме того, выпрямительные диоды широко используют в схемах управления и коммутации для ограничения паразитных выбросов напряжений в цепях с индуктивными элементами, а также в качестве элементов развязки в электрических цепях и др. В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяют на две группы: германиевые и кремниевые. Последние получили наибольшее распространение, поскольку имеют во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми диодами. Германиевые диоды целесообразно применять при низких напряжениях, поскольку при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, смещенном в прямом направлении, меньше, чем на кремниевом диоде.
Основными параметрами выпрямительных Диодов, характеризующими их работу в выпрямительных схемах, являются: среднее за период значение выпрямленного тока Iпр ср, который может длительно проходить через диод при допустимом его нагреве; среднее за период значение прямого напряжения Uпр ср, которое однозначно определяется по вольт-амперной характеристике при заданном значении Iпр ср; предельная частота fmax диапазона частот, в пределах которого ток Диода не уменьшается ниже заданного значения.
Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямительного диода, а именно: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uo6p max , которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы; максимально допустимый постоянный ток Iпр max диода. В настоящее время серийно выпускаются выпрямительные столбы и блоки, содержащие в одном корпусе совокупности диодов или полные схемы выпрямителей.
Высокочастотные диоды — это полупроводниковые приборы универсального назначения. Они применяются в тех же электронных устройствах, что и выпрямительные диоды, только при меньшей электрической нагрузке, а также в модуляторах, детекторах, преобразователях частоты и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Выпрямители переменного тока, в которых используют высокочастотные диоды, работают в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц).
Прямая ветвь вольт-амперной характеристики высокочастотного диода не отличается от соответствующей ветви выпрямительного диода. Однако в обратной ветви характеристики вследствие малой площади р-n-перехода участок насыщения практически отсутствует, и обратный ток с ростом напряжения равномерно возрастает за счет токов утечки и термогенерации. Значение постоянных прямых токов точечных высокочастотных диодов не превышает 50 мА, а значения допустимых постоянных обратных напряжений— 150 В. Для микросплавных диодов эти параметры имеют большие значения.
Основным параметром высокочастотных диодов является статическая емкость Ср между внешними выводами. Ее значение определяется барьерной и диффузионной емкостью р-n-перехода. Чем меньше Ср, тем шире диапазон рабочих частот диода. Обычно Ср ≤ 1пФ. Другие параметры высокочастотных диодов те же, что и у выпрямительных. При работе в диапазоне повышенных частот необходимо учитывать инерционность диода, в основе которой лежит процесс накопления заряда около р-n-перехода. Инерционность диода, а также наличие емкости Ср приводят к тому, что на очень высоких частотах амплитуды прямого и обратного токов рабочих сигналов становятся соизмеримыми, и диод теряет свойства односторонней проводимости. На очень высоких частотах используются СВЧ- диоды с очень малым радиусом точечного контакта (2—3 мкм).
Импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в устройствах импульсной техники. Конструкция импульсных диодов и их вольт-амперная характеристика такая же, как у высокочастотных диодов. Статические параметры импульсных диодов, включая статическую емкость Ср, также аналогичны соответствующим параметрам выпрямительных и высокочастотных диодов.
Особенность импульсных диодов заключается в следующем. При воздействии на диод резкого перепада напряжения (импульса), смещающего диод в прямом направлении, в базе (n-слое) вблизи р-n-перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей заряда, что приводит к изменению прямого сопротивления диода. Соответствующее импульсное прямое сопротивление Rн может в 1,5—3 раза превышать статическое прямое сопротивление постоянному току RCT . Вследствие этого эффекта возникшее после перепада напряжение на диоде Uпр и max превышает установившееся значение Uпр уст. Поскольку избыточный неравновесный заряд в базе рассасывается не мгновенно, то напряжение Uпр и max снижается до Uпр уст за конечный промежуток времени, называемый временем установления прямого сопротивления (на-напряжения) I0 . Наиболее эффективным способом снижения tуст является уменьшение толщины базы и времени жизни неравновесных носителей заряда. Существенное снижение времени жизни неравновесных носителей (до 0,5—0,3 не) достигается легированием германия и кремния золотом (так называемые импульсные диоды с золотой связкой). При этом также уменьшаются емкость Ср и обратный ток диода.
Если Uпр уст быстро изменить на запирающее Uобр, то обратный ток резко возрастает до значения Iобр max, существенно превышающего ток I0 (рисунок 1.а). Такое явление обусловлено тем, что накопившиеся в базе при прохождении прямого тока дырки втягиваются полем р-n-перехода обратно в эмиттер (p-слой). При этом обратное сопротивление резко уменьшается. В результате последующего процесса рекомбинации дырок с электронами, занимающего конечный отрезок времени, концентрация дырок достигает равновесного значения, а обратный ток уменьшается до установившегося значения I0. Промежуток времени с момента прекращения прямого тока до момента, когда обратный ток достигает своего установившегося значения, называется временем восстановления обратного сопротивления (тока) tвос диода.
Помимо tуст и tвос импульсные диоды характеризуются максимальным импульсным током Imax. значение которого может существенно превышать ток статического режима Iпр ст, так как при кратковременных (оговоренных в справочниках) импульсах прямого тока (напряжения) можно не опасаться перегрева диода. При проектировании и расчете электрических схем, содержащих диоды, часто необходимы сведения о сопротивлении диода постоянному и переменному току. Сопротивление постоянному току определяется как отношение напряжения к току в данной точке вольт-амперной характеристики (рисунок 2) Rст = U1/I1 при заданном значении I1 или U1. Сопротивление переменному току (динамическое или дифференциальное сопротивление) Rд = dU/dI ≈ ΔU/ΔI, где приращение напряжения ΔU и тока ΔI отсчитывается от точки вольт-амперной характеристики, в которой сопротивление определяется.
В области прямых токов сопротивление Rст больше сопротивления Rд , а в области обратных токов оно меньше сопротивления Rд .
Рисунок 2 - Определение сопротивления диода постоянному и переменному току
2 ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА
Лабораторная работа проводится на стенде 87Л-01, где установлена сменная панель № 1 (рис.3). При выполнении работы используются:
источник постоянного тока (генератор тока) ГТ;
источник постоянного напряжения (генератор напряжения) ГНЗ;
авометр АВМ2 и ампервольтомметр АВО;
диоды 1 (Д9), 2 (Д220) — 2 шт.;
проводники соединительные — 6 шт.
3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Снять прямую характеристику германиевого диода Д9:
а) собрать схему рисунок 3.а;
б) изменяя ток через диод, замерить напряжение на диоде. Интервал и диапазон изменения прямого тока указаны в таблице 1 Ток IF измеряется прибором АВМ2, напряжение UF — прибором АВО.
Рисунок 3 - Снятие и анализ характеристик диодов: а —прямая ветвь; б— обратная ветвь
Таблица 1
| Iпр, мА | 0,04 | 0,1 | 0,4 | 1 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 |
| Uпр, В |
2.Повторить п. 1 с кремниевым диодом Д220.
3.Снять обратную характеристику германиевого диода Д9:
а)собрать схему рис. 3, б;
б)изменяя обратное напряжение на диоде, измерить ток через диод. Интервал и диапазон изменения обратного напряжения указаны в таблице 2. Напряжение UR измеряется прибором АВМ2, ток IR прибором АВО.
Таблица 2
| Uобр, В | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
| Iобр, мА |
4. Повторить п.3 с кремниевым диодом Д220
Примечание. В случае нарушения балансировки прибора АВО необходимо несколько раз подряд проделать следующие операции. Замкнуть входные гнезда прибора прородником и ручкой «Уст. «О» установить стрелку прибора на «О»; затем разомкнуть входные гнезда АВО и ручкой «Баланс» повторить установку стрелки на «О». В результате нуль должен сохраняться при КЗ и XX на входе прибора.
5.Рассчитать сопротивление постоянному и переменному прямому току исследованных диодов в зависимости от Iпр .
4СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1.Наименование лабораторной работы, ФИО студента.
2.Структурные схемы измерений.
3.Таблицы экспериментальных данных и необходимые расчеты, графики полученных зависимостей.
4.Выводы по работе.
5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Почему контактную разность потенциалов, существующую на р-л-перёходе, нельзя измерить вольтметром?
2.Какими параметрами характеризуются прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики диодов?
3.Какими параметрами отличаются кремниевые диоды от германиевых?
4.Как зависят параметры полупроводниковых диодов от тем-пера.туры?
5.Получите и, постройте теоретическую зависимость от прямого напряжения U„p : а) сопротивления постоянному току, б) сопротивления переменному току.'
6.Охарактеризуйте основные группы полупроводниковых диодов и их параметры.
7. При последовательном включении выпрямительных диодов (в случае отсутствия высоковольтного диода) их часто шунтируют высокоомными резисторами. Для чего это делается?
8.При параллельном включении выпрямительных диодов (в случае отсутствия мощного диода) последовательно с каждым диодом включается добавочное сопротивление, составляющее единицы или доли Ом. Для чего это делается?
9.Импульсы напряжения типа меандр через резистор подаются на полупроводниковый диод. Нарисуйте эпюры напряжения на диоде и тока через диод..
10.В замкнутой последовательной Цепи, содержащей источник напряжения, индуктивность, резистор и ключ, протекает ток. Нарисуйте эпюры напряжения на ключе в момент размыкания ключа для двух случаев: а)индуктивность зашунтирована диодом, б)диод отсутствует.
11.Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя и объясните его работу.
12.Объясните принцип действия стабилитрона. Какими параметрами характеризуется этот тип диода?
13.Объясните принцип действия варикапа. Как зависят параметры варикапа от частоты сигнала?
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ (шифр 87Л-01(6))
Цель работы: изучить основные параметры биполярного транзистора и снять его статические входные и выходные характеристики при включении транзистора по схеме с общим эмиттером.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Биполярный транзистор является одним из самых распростра- ' ненных типов активных элементов. В современной .радиоэлектронике он широко применяется как в дискретном, так и в интегральном исполнении [1—3].
1.1 Особенности биполярных транзисторов
Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих р-n-переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены достаточно близко друг от друга. Условно можно считать, что транзистор состоит из двух встречно включенных диодов, обладающих одним общим n- или р-слоем. Соответственно этому различают транзисторы р-n-р и n-р-n типа. Центральную область, разделяющую р-n-переходы и электрод, связанный с ней, называют базой Б (В). Два других электрода называют эмиттером Е (Е) и коллектором К (С) (в скобках приведены обозначения, принятые в иностранной литературе). Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном.
Так как транзистор имеет три вывода, то включить его в электрическую цепь можно шестью различными способами. Только три из них могут обеспечить усиление мощности сигнала. Один из электродов транзистора обычно является входным, другой — выходным, а третий — общим относительно входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три основные схемы включения транзистора: с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК. Зависимость между током и напряжением электродов транзистора может быть выражена как аналитически, так и графически. В инженерной практике расчета устройств на транзисторах широкое применение нашел графический метод с использованием статических вольт-амперных характеристик, сочетающий в себе наглядность и простоту.
1.2 Статические характеристики транзисторов
Ток любого электрода транзистора является функцией двух напряжений U1 и U2, где U1— напряжение между входным и общим электродами, U2— напряжение между выходным и общим электродами. Кроме того, токи электродов связаны соотношением Iэ = Iб+ IК . Таким образом, пять неизвестных параметров режима работы транзистора (U1 , U2, Iб, IК, Iэ ) связаны между собой тремя независимыми уравнениями. Поэтому задание любых двух параметров (аргументов) однозначно определяет значения остальных параметров и, следовательно, режим работы транзистора.
Статической характеристикой называют зависимость тока какого-либо электрода транзистора от одного из аргументов при фиксированном значении другого и медленном изменении варьируемых значений переменных величин с тем, чтобы режим работы практически оставался статическим. Каждая точка характеристики соответствует определенному статическому режиму транзистора (режиму по постоянному току). Задавая различные значения фиксированному аргументу и определяя каждый раз зависимость электродного тока от варьируемого аргумента, получают семейство статических характеристик. Каждая схема включения транзистора характеризуется двумя независимыми семействами статических характеристик. Обычно используются входные и выходные характеристики, удобные для расчета транзисторных устройств. Рассмотрим статические характеристики для схемы с ОЭ, широко используемой в усилительных и импульсных каскадах. Источники напряжения для этой схемы должны быть включены так, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема включения источников питания для схемы с ОЭ
Рисунок 2 - Входные характеристики транзистора
Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимость
Iб= f(Uбэ ) при Uкэ = const.
Эти характеристики можно называть базовыми характеристиками. Их примерный вид для маломощных германиевых транзисторов приведен на рисунке 2 (для кремниевых транзисторов базовые характеристики смещены в область больших Uбэ). При Uкэ =0 оба перехода включены в прямом направлении. Поэтому ток базы равен сумме прямых токов эмиттерного и коллекторного переходов. При |Uкэ| > |Uбэ| коллекторный переход смещается в обратном направлении, и ток базы резко уменьшается. Начиная с Uкэ > 1В входные характеристики практически не отличаются друг от друга.
Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимость
Iк= f(Uкэ ) при Iб = const.
Эти характеристики можно назвать коллекторными. Вид этих характеристик показан на рисунке 3.
Рисунок 3 - Выходные характеристики транзистора
Для того, чтобы транзистор мог работать как усилительный элемент, необходимо выполнение условия |Uкэ| > |Uбэ| (при этом коллекторный переход обратно смещен). Поскольку даже для кремниевого транзистора Uбэ ≤ 0,6B, а для эффективного собирания носителей заряда коллектором необходимо напряжение |Uкб|≈ 0,3—0,4 В, то минимальное напряжение на коллекторе, при котором транзистор еще находится в усилительном режиме, равно Uкэ нас ≈ 1 В. Это напряжение называется напряжением насыщения. В активной (усилительной) области коллекторный ток в соответствии с теорией работы идеального транзистора не должен зависеть от напряжения, а определяться только током базы. Однако приращение ΔUкэ частично падает на эмиттерном переходе, вызывая приращение ΔIэ и дополнительное приращение тока Iк. К тому же при увеличении Uкэ растет и коэффициент усиления базового тока В. Поэтому наклон выходных характеристик имеет конечное значение. В схеме с ОБ этот наклон заметно меньше.
При уменьшении напряжения Uкэ менее Uкэ нас происходит приоткрывание коллекторного перехода. В этом режиме прямой ток коллекторного перехода и эмиттерный ток направлены навстречу друг другу, что приводит к уменьшению результирующего тока Iк. В области насыщения .транзистор теряет усилительные свойства — изменение входного напряжения практически не вызывает изменения выходного напряжения. При слишком больших коллекторных напряжениях, превышающих напряжения пробоя Uкэ проб, происходит резкое возрастание тока Iк и разрушение коллекторного перехода.
При анализе усилителей на транзисторах часто используется еще одна статическая характеристика:
Iк= f(Uбэ ) при Uкэ = const.
Рисунок 4 - Проходная характеристика транзистора
Эта характеристика называется проходной или передаточной. Она может быть снята самостоятельно или построена с использованием входных - и выходных характеристик. Примерный вид проходной характеристики показан на рисунке 4. По статическим вольт-амперным характеристикам можно определить следующие основные параметры транзистора в схеме с ОЭ:
studfiles.net
Выпрямители переменного тока на полупроводниковых диодах
Выпрямители переменного напряжения часть 2.
Вольт-амперная характеристика идеального диода
Для выпрямления переменного электрического тока чаще всего используют полупроводниковые диоды. Эти приборы обладают свойством вентиля: они способны практически без потерь пропускать электрический ток в одном направлении и совершенно не проводить его в другом.
Для того чтобы можно было графически представить свойства двухполюсника, например, полупроводникового диода, используют вольт-амперную характеристику (ВАХ). ВАХ устанавливает связь между приложенным к исследуемому прибору напряжением и током через него.
В идеале вольт-амперная характеристика полупроводникового диода должна была бы выглядеть следующим образом.
Для прямого направления тока идеальный полупроводниковый диод должен был бы представлять короткое замыкание, для обратного - разрыв цепи.
Идеализированная ВАХ полупроводникового диода
Промежуточное положение между идеальной и реальной вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода занимает идеализированная ВАХ.
В соответствии с этим рисунком для прямого направления тока, полупроводниковый диод представляет собой небольшое сопротивление Rпр., величина которого не зависит от величины приложенного напряжения.
Для обратного направления тока полупроводниковый диод представляет собой большое по величине постоянное сопротивление Rобр., которое также не зависит от напряжения.
Обычно для полупроводниковых диодов, изготовленных из различных материалов, отношение этих сопротивлений (Rобр./Rпр.) находится в пределах 103...105.
ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов
ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.
ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные - m, плоскостные - n). Монокристаллические: германиевые - Ge, кремниевые - Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) - Cu2O; селеновые - Se.
В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.
Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.
К наиболее важным параметрам, характеризующим избранные и наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:
Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.
Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).
Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.
Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100...130oС. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800...1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70oС. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.
Статическая ВАХ полупроводникового диода
Статическую ВАХ полупроводникового диода (ВАХ при постоянном токе) в области прямых токов можно измерить по точкам в схеме, показанной на следующем рисунке. Величина резистора R2, ограничивающего ток через испытуемый диод, выбирается исходя из значения максимального прямого тока.
Отметим, что результат измерений ВАХ на постоянном токе чаще всего может оказаться неточным: при больших токах будет происходить разогрев полупроводникового перехода, a c ростом температуры экспоненциально возрастает и ток. Поэтому фактические данные измеренной ВАХ будут соответствовать более высокой температуре. Поскольку изменение температуры перехода происходит постепенно и зависит от массы и теплофизических характеристик материалов диода, результат будет зависеть от продолжительности измерения. a также от того, при увеличении или понижении тока (напряжения) троисходят измерения.
Для исследования обратной ветви ВАХ по ее отдельным точкам можно воспользоваться следующей схемой. Величина подаваемого на полупроводниковый диод напряжения ограничена максимальным значением обратного напряжения для исследуемого прибора. Предельную величину обратного тока через диод ограничивает резистор R2.
При исследовании обратной ветви ВАХ на постоянном токе разогрев перехода в процессе эксперимента также сказывается на результате измерений.
Динамическая ВАХ диода
Динамическую ВАХ диода или иного вентильного элемента на частоте 50 Гц можно получить при помощи простейшего характериографа, схема которого изображена на следующем рисунке.
Перед началом измерений (до подключения испытуемого диода) контролируют работу устройства: при коротком замыкании клемм на экране осциллографа должна наблюдаться вертикальная линия, при размыкании — горизонтальная. При нажатой кнопке SB1 на экране должна наблюдаться наклонная линия (в зависимости от выбранной чувствительности осциллографа по осям).
Примеры наблюдаемых на экране ВАХ полупроводниковых диодов, включенных в прямом и обратном направлении, a также низковольтного стабилитрона, также приведены на этом рисунке. При разной чувствительности осциллографа по вертикали и горизонтали можно получить плавные кривые, соответствующие области малых напряжений на полупроводниковом диоде.
Другой вариант схемы характериографа показан на следующем рисунке. На вход Х осциллографа подается напряжение переменного тока (координата напряжения). По оси OY отображается величина, пропорциональная току через исследуемый диод VDx.
Для изучения частотных свойств полупроводникоеых приборов питать схему синусоидальным напряжением можно не через трансформатор, как это показано на рисунках, a от низкочастотного генератора, обеспечивающего достаточное выходное напряжение. Более сложные устройства для исследования динамических ВАХ полупроводниковых диодов содержат схемные узлы для масштабирования обратной ветви ВАХ.
Соединение диодов параллельно и последовательно
Поскольку ВАХ полупроводниковых диодов даже одного типа заметно отличаются друг от друга, для того, чтобы объединить свойства нескольких диодов, например, соединить их так, чтобы увеличить максимальный прямой ток либо повысить максимальное обратное напряжение, используют специальные приемы (см. таблицу).
Для увеличения рабочего тока совершенно неверно будет просто объединить группу диодов параллельно. Непременно окажется, что по одному из диодов потечет больший ток в силу различии ВАХ. Это вызовет разогрев его перехода, что, в свою очередь, сделает ВАХ диода еще более крутой, ток через диод возрастет еще больше. В итоге полупроводниковый переход разрушится, после чего процесс выхода из строя последовательно повторится на остальных диодах. Чтобы избежать этого, при параллельном включении диодов последовательно c каждым диодом включают сопротивление (для выравнивания токов через них) — в зависимости от тока от долей до десятков Ом.
Аналогичная ситуация складывается и при последовательном соединении полупроводниковых диодов (для увеличения обратного напряжения). K диодам последовательной цепочки будет приложена разная часть общего напряжения (из-за различий ВАХ). B итоге по крайней мере одно самое слабое звено этой цепочки будет повреждено, a схема перестанет работать. Для выравнивания падений напряжения на цепочке из диодов параллельно им включают резисторы равного сопротивления (обычно от 100 до 1000 кОм). Чем ниже величина сопротивления, тем равномернее будет распределение напряжений, однако, как и в предыдущем случае, включение дополнительных резисторов в определенной мере ухудшает выпрямительные свойства сборки диодов.
jaxik1.narod.ru
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
