Главная | Обратная связь

Практическая работа №1

 

Тема: Определение характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Цель: Выработать навыки использования справочной литературы(электронных справочников) для определения характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

1. Краткие теоретические сведения:

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, как правило, с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь n-р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

1.1 Выпрямительные диоды

Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды применяются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из германия или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощности, что соответствует предельным значениям выпрямленного тока до 300 мА, от 300 мА до 10 А и выше 10 А. Все параметры диодов обычно указываются для работы при температуре окружающей среды 20±5°С. Германиевые диоды изготовляются, как правило, вплавлением индия в германий n-типа. Они могут допускать плотность тока до 100 А/см2 при прямом напряжении до 0,8 В. Предельное обратное напряжение у них не превышает 400 В, а обратный ток обычно бывает не более десятых долей миллиампера для диодов малой мощности и единиц миллиампер для диодов средней мощности. Рабочая температура этих диодов от - 60 до + 75оС. Мощные германиевые диоды работают с естественным охлаждением. Они изготовляются на выпрямленный ток до 1000 А и обратное напряжение до 150 В. Выпрямительные кремниевые диоды изготовляются вплавлением алюминия в кремний n-типа, а также сплава олова с фосфором или золота с сурьмой в кремний р-типа. Применяется и диффузионный метод. По сравнению с германиевыми кремниевые диоды имеют ряд преимуществ. Предельная плотность прямого тока у них до 200 А/см2, а предельное обратное напряжение может быть до 1000 В. Рабочая температура от -60 до +125 °С (для некоторых типов даже до +150 °С). Прямое напряжение у кремниевых диодов доходит до 1,5 В, т.е. несколько больше, чем у германиевых диодов. Обратный ток у кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых. Для выпрямления высоких напряжений выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до сотен миллиампер и обратное напряжение до нескольких киловольт. Выпрямительные точечные диоды широко применяются на высоких частотах, а некоторые, типы и на СВЧ (на частотах до нескольких сотен мегагерц), и могут также успешно работать на низких частотах. Эти диоды используются в самых различных схемах, поэтому их иногда называют универсальными. Германиевые и кремниевые диоды выпускаются с пре-дельным обратным напряжением до 150 В и максимальным выпрямленным током до 100 мА. На рисунке 1 показана типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода.

Рисунок 1 - ВАХ выпрямительного диода

1.2 Варикап

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Барьерная ёмкость Сб имеет заметную величину из- за толщины p-n-перехода. Если увеличить обратное напряжение, то толщина запирающего слоя увеличится и барьерная ёмкость уменьшится. Необходимо учитывать влияние реактивного сопротивления барьерной ёмкости на высоких частотах, которое может шунтировать диод при обратном напряжении, и исключит выпрямительные свойства диода.

Рисунок 2 – Вольт – кулоновская характеристика варикапа

Стабилитрон

Стабилитрон – полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. На ВАХ (рисунок 3) – это участок БВ.

Рисунок 3- ВАХ стабилитрона

Чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона тем лучше стабилизация, т. Е. при существенном разбросе тока ? Iстаб напряжение на стабилитроне остаётся почти постоянным (эффект стабилизации). Напряжение стабилизации – от единиц до сотен В; ? Iстаб =Iобр max – I обр min – десятки – сотни мА. Стабилитроны с напряжением до 7 В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением. В нём действуют электрические поля с большой напряжённостью. Электрический пробой происходит за счёт туннельного эффекта. При этом температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицателен.
1.4 Туннельный диод

В туннельном диоде происходит диффузионное перемещение носителей заряда и обратный их дрейф под воздействием электрического поля.

Рисунок 4 – ВАХ туннельного диода

На ВАХ есть участок АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением переменному току. Ток в туннельном диоде равен единицам мА, прямое напряжение равно десятым долям вольта, дифференциальное сопротивление равно нескольким десяткам Ом. Туннельный диод – это высокочастотный диод. Максимальная частота сигнала равна сотни ГГц. Частота ограничивается диффузионной ёмкостью p-n перехода. Основную роль играет туннельный эффект т. Е. при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.
1.5 Светоизлучающие диоды

Светодиод представляет собой включённый в прямом направлении р-n –переход. При приложении прямого напряжения к р-n-переходу происходит диффузиционный перенос носителей через него. Увеличивается инжекция дырок в n-область, а электронов – в р-область. Инжектированные в р-область электроны рекомбинируют с основными носителями заряда – дырками. При этом рекомбинированные электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие валентной зоны. При этом выделяется фотон – квант света. Яркость свечения зависит от количества зарядов, инжектированных р-n –переходом. Основные параметры светоизлучающих диодов: сила света, яркость излучения, прямое напряжение, допустимое обратное напряжение, допустимый прямой ток, быстродействие, срок службы, цвет свечения.

Ход Работы

2.1. Изучен краткий теоретический материал практической работы №1

2.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов, установлена отраслевым стандартом ОСТ 11.336.919-81 и базируется на ряде классификационных признаков этих приборов.

В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводнико­вый материал, на основе которого изготовлен прибор.

Для обозначения исходного материала используются сле­дующие символы:

Г и 1 — для германия или его соединений;

К и 2 — для кремния или его соединений;

А и 3 — для соединения галлия (например, для арсенида галлия);

И и 4 — для соединения индия (например, для фосфида индия).

Второй элемент обозначения — буква, определяющая подкласс (или группу) приборов.

Для обозначения подклассов приборов используется одна из следующих букв:

Д — диодов выпрямительных и импульсных;

Ц — выпрямительных столбов и блоков;

В — варикапов;

И — туннельных диодов;

А — сверхвысокочастотных диодов;

С — стабилитронов;

Г — генераторов шума;

Л — излучающих оптоэлектронных приборов;

О — оптопар;

Н — диодных тиристоров;

У — триодных тиристоров.

Третий элемент обозначения — цифра, определяющая основные функциональные возможности прибора.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) ис­пользуются следующие цифры применительно к различным подклассам приборов.

Диоды (подкласс Д):

1 — для выпрямительных диодов с постоянным или сред­ним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 — для выпрямительных диодов с постоянным или сред­ним значением прямого тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;

3— диодные преобразователи (магнитодиоды, термодиоды и др.);

4 — для импульсных диодов с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;

5 — для импульсных диодов с временем восстановления более 150 нс, но не свыше 500 нс;

6 — для импульсных диодов с временем восстановления 30... 150 нс;

7 — для импульсных диодов с временем восстановления 5...30 нс;

8 — для импульсных диодов с временем восстановления 1...5 нс;

9 — для импульсных диодов с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс.

Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):

1 — для столбов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

2 — для столбов с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3...10 А;

3 — для блоков с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А;

4 — для блоков с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3... 10 А.

Варикапы (подкласс В):

1 — для подстроенных варикапов;

2 — для умножительных варикапов.

Туннельные диоды (подкласс И):

1 — для усилительных туннельных диодов;

2 — для генераторных туннельных диодов;

3 — для переключательных туннельных диодов;

4 — для обращенных диодов.

Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):

1 — для смесительных диодов;

2 — для детекторных диодов;

3 — для усилительных диодов;

4 — для параметрических диодов;

5 — для переключательных и ограничительных диодов;

6 — для умножительных и настроечных диодов;

7 — для генераторных диодов;

8 — для импульсных диодов.

Стабилитроны (подкласс С):

1 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

2 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10...100 В;

3 — для стабилитронов мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В;

4 — для стабилитронов мощностью 0,3...5 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации менее 10 В;

5 — для стабилитронов мощностью 0,3...5 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации 10...100 В;

6 — для стабилитронов мощностью 0.3...5 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации более 100 В;

7 — для стабилитронов мощностью 5...10 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации менее 10 В;

8 — для стабилитронов мощностью 5... 10 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации 10...100 В;

9 — для стабилитронов мощностью 5...10 Вт с номиналь­ным напряжением стабилизации более 100 В.

Генераторы шума (подкласс Г):

1 — для низкочастотных генераторов шума;

2 — для высокочастотных генераторов шума.

Излучающие оптоэлектронные приборы (подкласс Л):

источники инфракрасного излучения:

1 — для излучающих диодов;

2 — для излучающих модулей;

приборы визуального представления информации:

3 — для светоизлучающих диодов;

4 — для знаковых индикаторов;

5 — для знаковых табло;

6 — для шкал;

7 — для экранов.

Оптопары (подкласс О):

Р — для резисторных оптопар;

Д — для диодных оптопар;

У — для тиристорных оптопар;

Т — для транзисторных оптопар.

Четвертый элемент — число, обозначающее порядко­вый номер разработки технологического типа. Для обозначе­ния порядкового номера разработки используется двухзнач­ное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превысит число 99, то в дальнейшем используют трехзначное число от 101 до 999.

Пятый элемент — буква, условно определяющая класси­фикацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовлен­ных по единой технологии. В качестве классификационной литеры используют буквы русского алфавита (за исключением букв 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

В качестве дополнительных элементов обозначения ис­пользуют следующие символы:

цифры 1—9 для обозначения модификаций прибора, при­водящих к изменению его конструкции или электрических па­раметров;

букву С для обозначения сборок — наборов в общем корпусе однотипных приборов, не соединенных или соединен­ных одноименными выводами;

цифры, написанные через дефис для обозначений следую­щих модификаций конструктивного исполнения бескорпусных приборов:

1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе (под­ложке);

3 — с жесткими выводами без кристаллодержателя (под­ложки);

4 — с жесткими выводами на кристаллодержателе (под­ложке);

5 — с контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без выводов;

6 — с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов, буква Р — после последнего элемента обозначе­ния для приборов с парным подбором, буква Г — с подбором в четверки, буква К — с подбором в шестерки.

Таким образом, современная система обозначений вмеща­ет значительный объем информации о свойствах прибора.

 

2.3. Таблица с записью обозначения выбранного диода (таблица 1)

 

Таблица 1.

№	Тип диодов	Условие выбора	Параметр	Примечание
	Стабилитрон	Наибольшее значение напряжения Uст	Uст	-

 

 

2.4. Определение данного типа диода (таблица 2).

Таблица 2.

 

 

2.5.Справочный материал для данного диода.

Стабилитрон кремниевый , диффузионно-сплавной, средней мощности. Предназначен для стабилизации номинального напряжения 120…180 В в диапазоне токов стабилизации 2,5…42 мА. Выпускается в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип стабилитрона приводится на корпусе. Корпус стабилитрона в рабочем режиме служит отрицательным электродом (катодом). Масса стабилитрона с комплектующими деталями не более 6г.

Кс-коэффициент перекрытия по ёмкости

2.6.Вольт-амперная характеристика диода в соответствии с его параметрами. Схема включения диода.

Схема включения диода. ВАХ

2.7. Габаритный чертёж диода.

Выводы

1.Изучили краткие теоритические сведения.

2.1. Узнали о видах полупроводниковых диодов, их строении, функциях, и способах применения.

2.2. Определена классификация и система условных обозначений полупроводниковых диодов.

2.3.Записали таблицу с записью обозначения выбранного диода.

2.4. Определили данный тип диода.

2.5. Записали справочный материал для данного диода.

2.6.Записали вольт-амперную характеристику диода в соответствии с его параметрами. Записали схему включения диода.

 

Контрольные вопросы:
4.1 Что собой представляет система условных графических обозначений диодов?

Ответ: Система обозначения диодов представляет буквенно – цифровой код.
4.2 Какие свойства p-n-перехода используются в данном диоде?

Ответ:Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малое сопротивление в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Из-за больших размеров p-n-перехода барьерная ёмкость велика.
4.3 Чем отличаются друг от друга диоды различного типа?

Ответ: В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды, которые различаются тем, что, у точечных диодов линейные размеры , определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше её. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода. Так же диоды по назначению делятся на выпрямительные, туннельные, стабилитроны, варикапы светодиоды и др. Они отличаются друг от друга тем, что они изготовлены из различных полупроводниковых материалов предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающихся друг от друга конструкцией.
4.4 Как влияет на работу диодов температура и почему?

Ответ: Из-за высокой температуры диоды могут перегреваться и выйти из строя, чтобы этого не допустить, нужно снижать выпрямительный ток. При повышении температуры растут прямо и обратный ток.

4.5 Представить графическое обозначение диода.

Ответ:
4.6 Чем отличается светодиод от фотодиода?

Ответ:Светодиод представляет собой излучающий p-n-переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинации носителей заряда, а при освещении фотодиода по обе стороны от p-n-перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. Иными словами, светодиод излучает, а фотодиод поглощает свет.