Методичка 1-2 лаб. Проведение лабораторных и практических работ по данным курсам у группы студентов с использованием действующего учебного оборудования связано с большими материальными затратами
 Скачать 2.17 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
1.3. Полупроводниковые диоды Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис. 24). На практике наибольшее распространение получили диоды с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в областях. Типичными являются приборы, в которых p-область имеет большую концентрацию носителей заряда.    Анод    p+   Катод n   Рис. 24. Конструкция маломощных выпрямительных диодов: 1 – внешний вывод (анод); 2 – трубка; 3 – стеклянный изолятор; 4 – корпус; 5 – внутренний вывод анода; 6 – таблетка индия; 7 – кристалл германия; 8 – кристаллодержатель; 9 – внешний вывод (катод) Важный параметр диода – его дифференциальное сопротивление:
Из выражения (21) в случае приложения прямого напряжения  :
С ростом тока дифференциальное сопротивление p-n-перехода быстро уменьшается. Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения  наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 25). Это явление называют пробоем диода. Все разновидности пробоя диода можно разделить на электрические и тепловые. Электрический пробой, в свою очередь, может быть лавинным или туннельным.Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Он происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в р-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответствующей напряженности электрического поля носители заряда приобретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При этом образуются дополнительные пары носителей заряда – электроны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер (на ВАХ участок 2-3 рис. 25). В основе туннельного пробоя лежит непосредственно отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки под действием сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой развивается в узких р-n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля. Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением почти вертикального участка 3-4 на обратной ветви вольтамперной характеристики (см. рис. 25). Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми, т. е. они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются. Длительный лавинный или туннельный пробой диода может вызвать тепловой пробой.                    Рис. 25. ВАХ диода при превышении обратного напряжения предельного значения Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Процесс развивается лавинообразно и ввиду неоднородности р-n-перехода обычно носит локальный характер. Лавинообразное развитие теплового пробоя обуславливается тем, что увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя. Тепловой пробой возникает, как правило, вследствие протекания большого обратного тока при лавинном или туннельном пробое или ухудшении условий теплоотвода. В последнем случае он может произойти при меньшем напряжении , минуя стадии лавинного или туннельного пробоя.Нормальная работа диода в качестве элемента односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения  . Значение допустимого обратного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности электрического пробоя и составляет (0,5…0,8).Емкости диода. Принято говорить об общей емкости диода  , измеренной между выводами диода при заданном напряжении смещения и частоте. Общая емкость диода равна сумме барьерной емкости  , диффузионной емкости  и емкости корпуса прибора  .Барьерная (зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом ионов примесей, сосредоточенным по обе стороны от границы р-n-перехода. Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины. Поскольку величина барьерной емкости зависит от приложенного напряжения, то диод (p-n-переход) можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости. Диффузионная емкость. Изменение величины объемного заряда неравновесных электронов и дырок, вызванное изменением прямого тока, можно рассматривать как следствие наличия так называемой диффузионной емкости, которая включена параллельно барьерной емкости. Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость р-n-перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью. 1.3.1. Типы полупроводниковых диодов Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц …100 кГц. В них используется главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Главная особенность выпрямительных диодов – большие площади p-n-перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой (без конденсатора, сглаживающего пульсации). Среднее прямое напряжение  среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.Средний обратный ток  средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.Максимально допустимое обратное напряжение  наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.Максимально допустимый выпрямленный ток  средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода. Максимальная частота  наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов. На рис. 26 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение
то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе  падение напряжения  , повторяющее входное напряжение  . В следующий, отрицательный (–), полупериод напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно,  . Таким образом, через диод и протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе пульсирующее выпрямленное напряжение .  Рис. 26. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение  (за полупериод):
Таким образом, составляет около 30 % от максимального значения.Схема, представленная на рис. 26, позволяет получить напряжение одного знака, но очень пульсирующее. Наибольшее распространение получила схема двухполупериодного выпрямителя, построенная на четырех диодах (диодном мосте) (рис. 27). В такой схеме в течение положительного полупериода открываются диоды D2, D3, а в течение отрицательного полупериода – диоды D1, D4. Таким образом, схема не дает пропусков полуволн, но при этом импульсность остается. Поэтому осуществляют дополнительную фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров, простейшим из которых является параллельно включенный электролитический конденсатор большой емкости (рис. 28). Работа сглаживающего фильтра основана на зарядке и разрядке конденсатора. При увеличении напряжения на выходе выпрямителя до максимального значения конденсатор заряжается, а при «провале» напряжения – в период времени между двумя положительными полуволнами – разряжается, отдавая свою энергию потребителю, тем самым сглаживая пульсации. Чем выше емкость конденсатора (см. рис. 28), тем меньше пульсации напряжения. В бытовых выпрямителях емкость сглаживающего конденсатора выбирается порядка 500…5000 мкФ. Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.    Рис. 27. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя     Рис. 28. Использование сглаживающего фильтра в работе двухполупериодного выпрямителя: а) схема выпрямителя с фильтром; б) емкость конденсатора С1=1000 мкФ; в) емкость конденсатора С1=5000 мкФ; г) емкость конденсатора С1=10000 мкФ Импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения – малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно. Инерционность процесса переключения диода из закрытого состояния в открытое обусловливается продолжительностью времени, требуемого для накопления необходимых концентраций неравновесных носителей заряда в близлежащих к p-n-переходу слоях (дырок в n-слое и электронов в p-слое) посредством возникшей за счет прямого напряжения диффузии носителей заряда через переход. Вследствие этого падение напряжения на диоде при отпирании сначала имеет относительно большую величину, а затем, снижаясь, достигает установившегося значения. Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое при быстром изменении полярности подводимого напряжения характеризуется резким увеличением обратного тока (иногда на один два порядка больше установившегося значения) и его спаданием до установившегося значения. Возникновение броска обратного тока обусловлено тем, что избыточные неосновные носители заряда, созданные по обе стороны p-n-перехода на этапе протекания прямого тока, втягиваются полем обратно в p-n-переход под действием приложенного к нему обратного напряжения. Обратный ток спадает до номинального значения лишь после того, как концентрации неосновных носителей заряда по обе стороны p-n-перехода достигнут установившихся значений вследствие ухода носителей заряда через переход и рекомбинации с носителями заряда противоположного знака. Малые значения времени переходных процессов в импульсных диодах достигаются за счет уменьшения времени жизни дырок в базе. Такие диоды имеют малую площадь p-n-перехода, а их базовый слой обладает повышенной рекомбинационной способностью носителей заряда, которая обусловливается примесью золота, атомы которого создают эффективные центры рекомбинации (ловушки) для носителей заряда. Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл – полупроводник (например, кремний с алюминием), который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 нс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) падение напряжения (около 0,3 В) при протекании прямого тока. Недостатки таких диодов: малое пробивное напряжение и большой обратный ток. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д. Для стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рис. 29). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока через диод.  Рис. 29. ВАХ и обозначение полупроводникового стабилитрона Основные параметры стабилитрона: - номинальное напряжение стабилизации  напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации  );- минимальный ток стабилизации  наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;- максимально допустимый ток стабилизации  наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.Дифференциальное сопротивление  отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации:  . Чем меньше  , тем лучше стабилизация.Температурный коэффициент напряжения стабилизации. С изменением температуры напряжение пробоя (стабилизации) изменяется. Стабилитроны изготавливают на разное напряжение стабилизации (напряжение пробоя). Этого легко добиваются, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в n- и р-типе полупроводника). Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения показана на рис. 30.   Рис. 30. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения Нагрузка (потребитель) подключается параллельно стабилитрону. Выбор величины ограничительного сопротивления  осуществляют из условия протекания через стабилитрон тока , соответствующего средней точке его рабочей характеристики:
где  – среднее напряжение источника;  – ток нагрузки.Максимальный ток  ограничивают сопротивлением нагрузки  .Туннельный диод – диод, обладающий участком с отрицательным сопротивлением на ВАХ. Отличительной особенностью таких диодов являются очень малые удельные сопротивления р- и n-областей, вследствие их сильной легированности. Область объёмного заряда тоже очень маленькая, т. к. велики концентрации примесей – доноров и акцепторов. Поэтому очень велика вероятность того, что электроны из валентной зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи. При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток снова растёт. ВАХ туннельного диода показана на рис. 31. Особенность туннельного диода, связанная с наличием на ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, позволяет изготавливать на его основе простой генератор переменного сигнала, причём очень высокочастотный (СВЧ).  Рис. 31. ВАХ и обозначение туннельного диода Основные параметры туннельного диода: пиковый ток  прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины  прямой ток в точке минимума его характеристики; напряжение пика  прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины  прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора  прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.Варикап – это управляемый конденсатор, использующий свойство p-n-перехода изменять свою барьерную емкость под действием внешнего напряжения. Величина барьерной емкости зависит от площади р-n-перехода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Основное применение варикапов – электронная перестройка частоты колебательных контуров. Среди полупроводниковых диодов широкое распространение получили элементы оптроэлектроники: фотодиод и светодиод. Фотодиод – это фотоэлектрический прибор с одним p-n-переходом, в котором используется явление фотогенерации подвижных носителей заряда под действием света. Интенсивность фотогенерации определяется энергией квантов падающего на полупроводник излучения, их потоком и спектром поглощения полупроводника. При попадании фотона в полупроводник есть вероятность его столкновения с электроном валентной зоны. При этом фотон отдаёт электрону энергию и исчезает. Если фотон из видимой части спектра, его энергии вполне достаточно, чтобы произошла фотогенерация электрона и дырки (электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся дырка). Когда фотон попадает в нейтральную область полупроводника, то родившиеся пары (электрон и дырка), поблуждав некоторое время, могут встретиться и рекомбинировать. Так как время жизни пар мало, эффект очень слабый. Совсем другое дело, если фотон поглотился в области объёмного заряда. Тогда родившаяся пара разделяется электрическим полем этой области, так что после поглощения одного фотона через р-n-переход пройдёт ток в один заряд. Фотодиод может включаться в схему как с внешним источником питания (через дополнительное сопротивление), так и без него. При приложении обратного смещения к р-n-переходу режим его работы называют фотодиодным. При отсутствии освещения в фотодиоде протекает лишь тепловой ток  , являющийся обратным током р-n-перехода (рис. 32). Если фотодиод осветить, то кванты света будут вырывать электроны из связей. При этом дополнительно к тепловым носителям заряда возникнуть электроны и дырки, вызванные световым возбуждением. Чем больше поток фотонов, тем больше фототок, такие фотодиоды используются для регистрации освещённости.  Рис. 32. ВАХ фотодиода для различных значений светового потока  Кроме фотодиодного режима, широко используется фотогальванический режим работы фотодиода, когда к p-n-переходу не прикладывается никакого внешнего смещения. При освещении фотодиода в таком режиме фотогенерация приведёт к заряду областей: n-области – отрицательно, р-области – положительно. Но при этом уменьшится высота потенциального барьера, а следовательно, величина электрического поля в области объёмного заряда. В конце концов на р-n-переходе появится разность потенциалов, равная контактной разности потенциалов. Этот режим применяется при работе полупроводниковых, солнечных батарей, где собирается в общую батарею большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Контактная разность потенциалов каждого из них составляет 0,6...0,7 В. Светодиоды – это маломощные полупроводниковые источники света, основа которых – излучающий p-n-переход. Его свечение вызвано рекомбинацией носителей заряда. Неосновные носители в базе рекомбинируют и излучают освободившуюся энергию в виде квантов света. Наиболее интенсивно такое излучение происходит в прямозонных полупроводниках, таких как арсенид галлия. Такие полупроводники имеют специфическую зонную диаграмму. Оптоэлектронная пара (оптрон) – совокупность светодиода, генерирующего свет под действием электрического тока, и фотоприемника (фотодиода, фототранзистора), генерирующего ток под действием освещения (рис. 33).                    –  Рис. 33. Оптрон Основное достоинство оптронов – гальваническая развязка входной цепи (управляющей) и выходной (нагрузочной). 1.3.2. Типы соединений диодов П  араллельное соединение диодов (рис. 34) предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Оно используется с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выводу их из строя вследствие перегрева. Причиной неравномерного распределения токов является несовпадение прямых ветвей ВАХ приборов ввиду разброса параметров. Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор). Рис. 34. Параллельное соединение диодов Последовательное соединение диодов (рис. 35) предназначено для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток. Однако ввиду неизбежного различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привести к пробою не только данного, но и всех остальных диодов вследствие повышения на них обратного напряжения. Для исключения неравномерного обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резисторами.  Рис. 35. Последовательное соединение диодов Выбор сопротивления шунтирующих резисторов производят исходя из того, чтобы ток, протекающий через резистор, был на порядок больше обратного тока диодов.  перейти в каталог файлов | Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
. 
.
. 
,
.
,