Основные параметры выпрямительных диодов.

Возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуют следующие электрические параметры:

1) U_пр – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока, обычно не превышает 1В для германиевых и 2В для кремниевых диодов. Эта величина связана с величиной контактной разности потенциалов, которая у кремния выше, чем у германия.

2) I_пр – постоянный выпрямленный ток через диод при заданном прямом напряжении. По величине выпрямленного тока диоды делятся на диоды малой мощности (I_пр<0,3А), средней (0,3<I_пр<10А) и большой (I_пр>10А) мощности. При больших I_пр в диоде вследствие падения напряжения на нём выделяется тепло. Поэтому выпрямительные диоды большой мощности отличаются от остальных типов диодов большими размерами корпуса и внешних выводов, необходимых для теплоотвода. Эти диоды называют силовыми и часто снабжают специальными радиаторами, позволяющими увеличить рассеиваемую мощность.

Uпр Uобрmax Uобр Iобр Iпр Iпрmax Uпр Iпр

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода с обозначением параметров.

3) I_обр – обратный ток, протекающий через диод при заданном обратном напряжении, обычно указывается для вполне определённой температуры, так как сильно зависит от неё. У германиевого и кремниевого диодов I_обр различаются очень сильно, что объясняется различной шириной запрещённой зоны германия и кремния.

4) R_диф – дифференциальное сопротивление диода, определяется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Как любой электронный прибор выпрямительный диод наряду с электрическими параметрами характеризуется предельно допустимыми значениями:

1) I_прmax – максимальный допустимый прямой ток, значение которого ограничивается разогревом p-n перехода.

2) U_обрmax – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (до наступления пробоя p-n перехода). Кремниевые диоды позволяют получать более высокие значения U_обрmax, так как удельное сопротивление собственного кремния (r_i » 10⁵ Ом*см) много больше сопротивления собственного германия (r_i » 50 Ом*см)

3) P_max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом, зависит от габаритов, массы диода и его конструкции. У наиболее мощных диодов площадь перехода доходит до 1см², а масса – до 15-20г, у маломощных диодов площадь переходов в 100 раз, а масса в 10 раз меньше.

4) f_max – предельная частота, на которой может работать диод, сохраняя свою работоспособность. При частотах, больших f_max необходимо снижать значение I_прmax, так как накопленные за время прямого полупериода носители заряда не успевают рассосаться, и при обратном полупериоде переход некоторое время остаётся прямо смещённым, то есть теряет свои выпрямительные свойства. Предельная рабочая частота выпрямительного диода напрямую связана с ещё одним важным параметром – ёмкостью диода.

5)C_д – ёмкость диода, как правило, указывается для высокочастотных выпрямительных диодов и измеряется между выводами диода при заданных напряжении и частоте. В С_д кроме барьерной С_б и диффузионной С_диф входит также и ёмкость корпуса прибора С_к. В случае, если ёмкость диода окажется достаточно велика, на высокой частоте будет сильно сказываться её влияние. Эквивалентная схема диода поясняет это (рис. 1.4). Из неё видно, что на высокой частоте ток потечёт не через r_p-n, а через С_д (x_c << r_p-n), иначе говоря, через ёмкость будет проникать переменная составляющая тока: диод потеряет свои выпрямительные свойства.

rp-n Cд rб

Рис. 1.4. Эквивалентная схема полупроводникового диода.

Ёмкость диода определяется в основном ёмкостью его p-n перехода. Чем больше площадь p-n перехода, тем больше ёмкость диода. Предельная частота с увеличением ёмкости уменьшается. Таким образом, мощные выпрямительные (силовые) диоды с большой площадью p-n перехода имеют очень ограниченный частотный диапазон. Обычная рабочая частота равна 50 Гц. Рабочие же частоты диодов малой и средней мощности, как правило, не превышают 10 – 20 кГц. Сплавные диоды используются для выпрямления тока с частотой до 5 кГц. Диффузионные диоды могут работать на частоте до 100 кГц. И только точечные высокочастотные выпрямительные диоды благодаря малой площади p-n перехода способны работать на частотах в несколько сот мегагерц.

Помимо электрических параметров в справочной литературе приводятся значения минимальной и максимальной температуры, которые характеризуют тепловые свойства диода, а также его вольт-амперные характеристики при различных температурах окружающей среды (рис 1.2).

Для диодов из германия максимальная температура T_max = 100 – 110 °C, для диодов из кремния T_max = 170 – 200 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрация основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестаёт обладать свойством односторонней проводимости.

Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде U_пр и обратный ток I_обр (рис.1.2). Поскольку контактная разность потенциалов уменьшается с ростом температуры, уменьшается и прямое напряжение на диоде. Таким образом, температурный коэффициент напряжения (ТКН) на выпрямительном диоде имеет отрицательное значение. Обратный ток зависит от температуры ещё сильнее. Это связано с усилением генерации пар носителей с ростом температуры. В германиевых диодах обратный ток удваивается при увеличении температуры на каждые 10 °С, у кремниевых диодов зависимость ещё более сильная. Но так как при нормальной температуре I_обр у кремния очень мал, то при 100 – 150 °С приборы, изготовленные из кремния, имеют лучшие обратные характеристики, чем диоды, изготовленные из германия. Это является их большим преимуществом.

Таблица 1.1

В таблицах 1.1 и 1.2 приведены некоторые электрические и предельные эксплуатационные параметры серийно выпускаемых низкочастотных и высокочастотных выпрямительных диодов. Там же указаны технологии изготовления p-n переходов.

Таблица 1.2

Стабилитроны.

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. Напряжение на таком диоде U_сm остаётся практически постоянным при изменении тока в широких пределах от I_сmmin до I_сmmax (рис.1.5, а). Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона выбирают в режиме электрического пробоя p-n перехода, то есть пробой является нормальным режимом работы стабилитрона.

В настоящее время стабилитроны изготавливаются из кремния n-типа, обеспечивающего значительную крутизну характеристики в рабочей области, небольшой ток в предпробойной области, а также высокую допустимую температуру p-n перехода. Германий для изготовления стабилитронов не используют, так как у германиевых p-n переходов значение обратного теплового тока во много раз больше, вероятность развития теплового пробоя существенно выше.

Uпр DUсm Uсmmin Uсmmax б) a) Uобр Uсm DIст Iпр Iсmmax Iсm Iсmmin - +

Рис 1.5 Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и его условное обозначение (б).

Большим преимуществом полупроводниковых стабилитронов перед другими стабилизаторами напряжения является то, что они могут быть изготовлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств. Прецизионные стабилитроны используют в качестве опорных элементов в различных схемах, где необходима высокая точность стабилизации уровня напряжения. Поэтому полупроводниковые стабилитроны называют также опорными диодами.

Параметры стабилитронов.

Возможности стабилитрона характеризуют следующие электрические параметры:

1) U_cm – напряжение стабилизации, являющееся напряжением пробоя, обычно определяется для некоторого среднего значения тока в диапазоне от I_сmmin до I_сmmax и может несколько меняться в этих пределах. Напряжение пробоя стабилитрона, а значит напряжение стабилизации зависит от ширины p-n перехода или от концентрации примесей в базе диода. Поэтому различные стабилитроны имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.

Низковольтные стабилитроны изготавливают на основе сильнолегированного кремния, p-n переход у них узкий. В связи с этим в низковольтных стабилитронах развивается туннельный пробой, их рабочее напряжение U_сm не превышает 3 – 4 В.

Высоковольтные стабилитроны должны иметь большую ширину p-n перехода, поэтому их делают на основе слаболегированного кремния. Принцип их работы связан с лавинным пробоем, а напряжение стабилизации у них более 7 В. При U_cm от 3 до 7 В работают оба механизма пробоя.

2) I_cmmin – минимальный ток стабилизации, определяет точку на ВАХ, где пробой приобретает устойчивый характер (обычно доли – единицы мА);

3) I_cmmax – максимальный ток стабилизации, определяется допустимой для данного прибора мощностью рассеяния, зависит от толщины p-n перехода и от конструкции прибора (несколько мА – несколько А).

4) r_диф – дифференциальное сопротивление стабилитрона, характеризует качество стабилитрона, то есть его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего тока. Дифференциальное сопротивление определяется отношением приращения напряжения к вызвавшему его приращению тока на рабочем участке (рис. 1.5, а).

Так как для лучшей стабилизации максимальным изменениям тока должны соответствовать минимальные изменения напряжения, то качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление.

Для различных стабилитронов r_диф лежит в пределах от десятых долей Ома (низковольтные) до 100 – 200 Ом (высоковольтные).

5) ТКН - температурный коэффициент напряжения стабилизации, исключительно важный параметр опорного диода. ТКН характеризует температурные изменения напряжения стабилизации и численно равен относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 °С.

Значения этого параметра у разных стабилитронов различны. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации стабилитронов приведена на рис.1.6. Из рисунка видно, что ТКН имеет положительные значения для относительно высоковольтных стабилитронов и отрицательные для низковольтных.

Высоковольтные стабилитроны, работающие на лавинном пробое, имеют положительный ТКН, так как с ростом температуры увеличивается число столкновений носителей с атомами решётки и уменьшается длина свободного пробега электронов, а U_cm увеличивается, потому что необходимо более сильное электрическое поле, чтобы при меньшей длине свободного пробега электроны приобрели энергию, достаточную для ионизации.

2 4 6 8 10 Ucm, В Туннельный пробой Лавинный пробой ТКН, %/°C 0,1     0,05       0,05     0,1

Рис 1.6 Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации от напряжения стабилизации стабилитронов.

Для стабилитронов с туннельным пробоем (низковольтных) ТКН отрицателен, так как при увеличении температуры уменьшается ширина запрещённой зоны полупроводника, и вероятность туннельного эффекта возрастает. Напряжение пробоя при этом уменьшается.

Изменение знака ТКН соответствует напряжению стабилизации U_cm » 6B. Cтабилитроны с таким значением напряжения стабилизации имеют минимальные температурные изменения напряжения стабилизации и называются прецизионными (высокоточными).

В таблицах 1.3 наряду с другими параметрами приведены значения ТКН для различных видов стабилитронов. Видно, что ТКН прецизионных стабилитронов на 2-3 порядка ниже, чем у стабилитронов общего назначения. Такие стабилитроны можно применять в качестве источника образцового напряжения в цифровой технике.

Таблица 1.3а

Таблица 1.3б

Задания к лабораторной работе

Лабораторные исследования выполняются на плате П1 с технологическими картами 2.1, 2.2 и 2.3. Инструкции по выполнению заданий приведены на технологических картах.

Задание 1(номера 1-4 на технологических картах 2.1 и 2.2) Снять прямые и обратные ветви вольт-амперных характеристик четырёх предложенных выпрямительных диодов. Результаты измерений оформить в виде четырёх таблиц, аналогичных таблице 1.4, где номер на технологической карте соответствует одному из диодов.

Таблица 1.4

Задание 2. По данным таблиц на одних осях построить семейство вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов.

По графикам определить, какие характеристики принадлежат высокочастотным, низкочастотным германиевым и кремниевым выпрямительным диодам. Обосновать своё решение.

Задание 3. Для каждого диода на линейном участке прямой и обратной ветви вольт-амперной характеристики выполнить построения для определения прямого и обратного дифференциального сопротивлений (рис. 1.7)

Iобр Uпр DIобр DUпр Uобр DUобр DIпр Iпр

Рис 1.7. Определение параметров выпрямительных диодов.

Рассчитать сопротивления R_пр, R_обр, а в рабочей точке О – сопротивление диода по постоянному току. Объяснить полученные результаты.

Задание 4. (номера 1 и 2 на технологической карте 2.3). Снять вольт-амперные характеристики двух предложенных стабилитронов. Результаты измерений занести в таблицу 1.5.

Таблица 1.5

Задание 5. По данным таблицы 5 на одних осях построить вольт-амперные характеристики двух стабилитронов. По графикам определить параметры стабилитронов I_сmmin и I_сmmax. Определить напряжение стабилизации стабилитронов, соответствующее значению среднего тока стабилизации.

Сравнить полученные результаты со справочными данными стабилитронов.

По величине U_сm определить, какой вид пробоя имеет место у каждого стабилитрона. Определить марку стабилитронов.

Задание 6. Для каждого стабилитрона на графике ВАХ выполнить построения для определения дифференциального сопротивления. Рассчитать его значение по формуле.

Сравнить полученные результаты со справочными данными стабилитронов.

Вопросы для допуска к работе

1. Дать определение выпрямительному диоду.

2. Что представляют собой полупроводниковый стабилитрон ?

3. На одних осях изобразить ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных диодов.

4. Изобразить ВАХ стабилитрона. Показать на ней основные электрические параметры.

5. Объяснить порядок и методику выполнения работы.

Контрольные вопросы и задания к защите работы

1. Какое явление лежит в основе работы выпрямительного диода?

2. Какими носителями образован прямой (обратный) ток выпрямительного диода ?

3. Объяснить влияние на ВАХ выпрямительного диода ширины запрещённой зоны полупроводника.

4. Как зависит прямой (обратный) ток выпрямительного диода от площади p-n перехода ?

5. Объяснить различие в конструкции НЧ и ВЧ-выпрямительных диодов.

6. Какие технологии используются для изготовления ВЧ и НЧ-выпрямительных диодов?

7. Какое явление лежит в основе работы стабилитрона?

8. Изобразить ВАХ стабилитрона, объяснить её вид с точки зрения процессов в p-n переходе стабилитрона.

9. На ВАХ показать электрические параметры стабилитронов и пояснить их физический смысл.

10. Ввести понятие температурного коэффициента напряжения стабилизации. Чем определяется знак ТКН ? Какие стабилитроны имеют положительный ТКН, отрицательный ТКН ?

11. Какие стабилитроны называют прецизионными ?

Лабораторная работа 13