Построение характеристик и расчёт параметров полупроводни- ковых диодов

Лабораторная работа № 2
по дисциплине «Электроника»
Вариант № 12
Тема: Построение характеристик и расчёт параметров полупроводниковых диодов
Цель работы: изучить конструкцию, характеристики и параметры реальных полупроводниковых диодов; ознакомиться с классификацией и основными
типами полупроводниковых диодов, их маркировкой, условными графическими
обозначениями в схемах и направлениями применения; освоить методику построения и анализа вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов с
помощью программного пакета Ltspice.
Оборудование и программное обеспечение: персональный компьютер,
программный пакет Ltspice.
Задание: с помощью программного приложенияLtspice для заданного типа
диода:
- построить прямую и обратную ветви ВАХ;
- на основании прямой ветви ВАХ рассчитать и построить графики зависимости статического и динамического сопротивлений диода от
прямого напряжения на p-n– переходе (для 10 значений прямого напряжения);
- на основании обратной ветви ВАХ рассчитать и построить графики
зависимости статического и динамического сопротивлений диода от
обратного напряжения на p-n– переходе;
Э.170000.000 ЛР
Изм
Лист
Разраб.
Провер.
РеалиН.контр.
зация
Утв.
задачи
№ докум.
Рекунов А.П.
Окорочков А.И.
Подпись
Дата
Лит
Лабораторная работа № 2
Лист
Листов
2
ИСОиП(филиал) ДГТУ
Кафедра РЭСиК
- на основании расчѐта модуля комплексного сопротивления диода (по
измерениям переменного тока и напряжения на диоде на частоте 100
кГц при амплитуде переменного напряжения на диоде не более 0,01
- А) при прямом напряжении на p-n – переходе рассчитать и построить
график зависимости диффузионной ѐмкости от значения прямого напряжения на диоде;
- Б) при обратном напряжении на p-n – переходе рассчитать и построить график зависимости барьерной ѐмкости от значения обратного
напряжения смещения на диоде.
Основные сведения:
Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющийр–n-переход,
называется полупроводниковым диодом. Существуют разныевиды полупроводниковых диодов – выпрямительные, импульсные,обращенные, туннельные, лавинно-пролетные, опорные или зенеровские(стабилитроны), с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий в режиме
электрического пробоя. Такой режим возникает при смещении р–n-переходав обратном направлении. На рисунке 1, а, бпоказано его условное графическоеизображение и вольт-амперная характеристика.
Рисунок 1 – Схематическое изображение (а) и вольт–амперная характеристика (б) стабилитрона
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
При достижении на стабилитроне напряжения, называемого
напряжением стабилизации Uст, ток, проходящий через стабилитрон, резко
возрастает и изменяется в широких пределах, а напряжение на стабилитроне
остается почти постоянным. Эта особенность полупроводниковых
стабилитронов широко используется для стабилизации напряжения.
При подаче на стабилитрон прямого напряжения вольт-амперная
характеристика его имеет тот же вид, что и у выпрямительного диода.В качестве
основного материала для полупроводниковыхстабилитронов используется кремний, обеспечивающий малую величинуобратного тока (тока насыщения). В отличие от выпрямительных диодов встабилитроне p- и n-области сильно легированы.
Это приводит к тому, что p–n-переход имеет малую ширину, а напряженность
электрического поля в немвысокая и при приложении даже небольшого обратного
напряжениявозникает электрический пробой.
Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может бытьтуннельным, лавинным или смешанным. Считается, что в низковольтныхстабилитронах (до 5 В) преобладает механизм туннельного пробоя, а встабилитронах, работающих при напряжениях выше 8 В, пробой имеетлавинный характер.
Туннельный пробой возникает в случае, когда геометрическая ширинапотенциального барьера (p–n-перехода) сравнима с дебройлевской длинойволны
электрона и становятся возможны туннельные переходы электронов сзаполненных энергетических состояний в зоне проводимости на свободныесостояния в валентной зоне.
Лавинный пробой возникает в сильном электрическом поле,действующем в
области p–n-перехода, когда электрон на длине свободногопробега набирает энергию, равную или большую ширины запрещенной зоны,и ионизирует атом собственного полупроводника. В результате рождаетсяпара электрон – дырка и процесс
повторяется уже с участием новыхносителей.К параметрам стабилитрона, определяемым по его ВАХ (рисунок 1,б),относятся:
Uст.ном – номинальное напряжение стабилизации, измеренное при
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
некотором среднем (номинальном) токе стабилитрона Iст.ном;
Uст.min – минимальное напряжение стабилизации, измеренное в начале
прямолинейного участка обратной ветви ВАХ;
Iст. min – минимальный ток, при котором измеряется Uст.min;
Uст.max – максимальное напряжение стабилизации при токе Iст.max;
Iст.max – максимально допустимый обратный ток стабилитрона,ограниченный предельно допустимой мощностью рассеяния настабилитроне
Рст.max.
При токе, не превышающем Iст.max, стабилитрон может работатьнеограниченно долго. Значение предельно допустимой рассеиваемоймощности для полупроводниковых стабилитронов находится в диапазоне отсотен милливатт до единиц ватт.Один из важнейших параметров стабилитрона – дифференциальное
сопротивление – характеризует наклон его ВАХ в области пробоя:
rд = dUст/dIст при Iст= const.
(1.1)
Дифференциальное сопротивление идеального стабилитрона на этомучастке ВАХ стремится к нулю, в реальных приборах величина rд имеет значение 2–50
Ом.По ВАХ стабилитрона находится также его статическое
сопротивление: Rст = Uст /Iст.Влияние температуры на характеристики стабилитрона оцениваетсятемпературным коэффициентом напряжения стабилизации
(ТКН), которыйсоответствует изменению напряжения стабилизации Uст при изменениитемпературы на 1 градус, т. е.
ТКН = ΔUст / (Uст⋅ΔT)
(1.2)
В стабилитронах с туннельным пробоем ТКН может приниматьзначения от
10–5 до 10–3 К–1. Стабилитроны, работающие на основе лавинногопробоя, имеют
положительный ТКН. Основное назначение полупроводниковых стабилитронов –
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
стабилизация напряжения в различных электронных схемах. Простейшаясхема
параметрического стабилизатора напряжения показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема включения стабилитрона:Rб– балластное (ограничительное) сопротивление,
Uст– выходное стабилизированное напряжение
Так как нагрузка включена параллельно стабилитрону, то в режиместабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое женапряжение будет и
на нагрузке. Поэтому стабилитрон называют такжеопорным диодом. Все изменения (пульсации) напряжения (ЭДС) источникаE поглощаются балластным (ограничительным) резистором Rб.Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда входное напряжение источника Евх нестабильно (рисунок 3), а сопротивление
нагрузки Rнпостоянно.
Рисунок 3 – Эпюр изменения входного напряжения (ЭДС) источника
Для установления и поддержания правильного режима стабилизации вэтом
случае сопротивление Rб должно иметь определенное значение.Обычно сопроЭ.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
тивление Rбрассчитывают для среднего значения токастабилитрона. Если входное
напряжение меняется от Еmin до Emax, тобалластное сопротивление можно найти по
формуле
Rб= (Еср−Uст) /(Iср+ Iн) , (1.3)
где Еср= 0,5⋅(Еmin+ Emax) – среднее значение напряжения источника;Iср= 0,5⋅(Imin+
Imax) – средний ток стабилитрона; Iн= Uст/Rн– ток черезнагрузку.
Если напряжение источника изменится в ту или другую сторону, тоизменится и ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и нанагрузке
останется постоянным.
Поскольку все изменение напряжения должно поглощатьсябалластным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения
ΔЕ=Emax – Еminдолжно соответствовать наибольшему возможному изменениютока Imax – Imin, при котором еще сохраняется стабилизация. Отсюда следует,что стабилизация возможна только при соблюдении условия:
ΔЕ ≤ (Imax – Imin )⋅Rб. (1.4)
Стабилизация в более широком диапазоне измененияЕсвязана сувеличением сопротивления Rб. Из (5.13) следует, что большеесопротивление Rб получается
при меньшем токе нагрузки Iн, т. е. прибольшем сопротивлении нагрузки Rн и
большем среднем значении ЭДСисточника Еср, поэтому увеличение RниЕсртакже
обеспечивает расширениедиапазона стабилизации ΔЕ.
Эффективность стабилизации напряжения характеризуетсякоэффициентом
стабилизации Кст, который показывает, во сколько разотносительное изменение
напряжения на выходе схемы стабилизациименьше, чем относительное изменение
напряжения на входе:
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
(1.5)
Второй возможный режим стабилизации, когда входное напряжениеисточника стабильно, а сопротивление нагрузки меняется от Rнminдо Rнmах.Для такого
режима сопротивление балластного резистора Rб можноопределить по формуле
Rб= (Е - Uст) /(Iср+ Iн.ср.) , (1.6)
где Iнср.= 0,5⋅(Iнmin+ Iнmax), Iнmin = Uст /Rнmax и Iнmax = Uст /Rнmin.
Дифференциальное сопротивление р-n-перехода:
(1.7)
где и –величины силы тока при прямом и обратном смешениях р-n-перехода
соответственно.
Контактная разность потенциалов р-n-перехода:
(1.8)
где
– термодинамическая работа выхода электронов изполупроводника p-типа
проводимости;
– термодинамическая работа выхода электронов из полупро-
водника n-типа проводимости (рис.5.2,а); Na, Nd– концентрация акцепторов
и доноров соответственно.
Выражение для диффузионной емкости p-n-перехода имеет вид:
(1.9)
Если
, то
и соотношение (18) принимает вид:
.
(1.11)
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
Выполнение лабораторной работы
Для того чтобы составить схему для измерения ВАХ диода, для начала смоделируем еѐ в программе Ltspicе:
Рисунок 4 – Схема для измерения ВАХ диода
С помощью плоттера построим прямую и обратную ветвь ВАХ диода (в
пределах допустимых значений прямых напряжений и токов диода).
Рисунок 5 – Прямая ветвь ВАХ диода
На основании построенной ВАХ рассчитываем и строим по 10 точкам зависимость статического сопротивления диода от напряжения на диоде для прямой
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
ветви ВАХ.
R(Oм)
U(В)
I(mА)
∞
∞
∞
∞
∞
∞
∞
200
15
3,922
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0
0
0
0
0
0
0
4
60
255
Рисунок 6 – Зависимость статического сопротивления диода от тока на диоде для прямой ветви ВАХ.
На основании построенной ВАХ рассчитываем и строим по 10 точкам зависимость дифференциального сопротивления диода от напряжения на диоде для
прямой ветви ВАХ.
r(Ом)
dU(В)
dI(мА)
U(В)
I(А)
∞
∞
∞
∞
∞
∞
∞
25
1,78
0,5
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0
0
0
0
0
0
0
35,6
68,4
99,7
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0
0
0
0
0
0
0,24
0,5
0,97
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
Рисунок 7 – зависимость дифференциального сопротивления диода от напряжения на диоде для
прямой ветви ВАХ
С помощью плоттера построимобратную ветвь ВАХ диода (в пределах допустимых значений обратных напряжений и токов диода).
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
Рисунок 8 – Обратная ветвь ВАХ диода
На основании построенной ВАХ рассчитываем и строим по 10 точкам зависимость статического сопротивлениядиода от тока на диоде для прямой ветви
ВАХ.
R(Oм)
U(В)
I(А)
10000
0,001
0,0000
001
12500
14500
16700
21000
27000
35700
43600
58100
77200
-0,005
-0,01
-0,02
-0,04
-0,06
-0,09
-0,11
-0,15
-0,2
-0,0000
004
-0,0000
006
-0,0000
012
-0,0000
019
-0,00000
22
-0,0000
024
-0,00000
252
-0,00000
258
-0,00000
259
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12
Рисунок 9 – Зависимость статического сопротивления от токана диоде для обратной ветви ВАХ.
На основании построенной ВАХ рассчитываем и строим по 10 точкам зависимость дифференциального сопротивлениядиода от напряжения на диоде для
обратнойветви ВАХ.
r(Ом)
dU(мВ)
dI(мА)
U(мВ)
I(мА)
1763
1500
1035
168,42
84,15
70,8
43,52
19,27
15,94
14,84
1,948
2,28
2,88
3,2
3,34
3,54
3,83
4,42
4,72
5,9
0,0011
0,0025
0,0027
0,019
0,038
0,05
0,088
0,23
0,296
0,396
5
10
20
40
60
90
110
150
200
220
-0,4
-0,7
-1,2
-1,9
-2,2
-2,24
-2,52
-2,56
-2,58
-2,6
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13
Рисунок 10 – Зависимость дифференциального сопротивления диода от напряжения на сдиоде
для обратной ветви ВАХ
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
14
5 Контрольные вопросы
1. Классификация диодов по технологии изготовления и функциональному назначению. Элементы конструкции диода.
2. Идеальная и реальная ВАХ диода. Зависимость обратного тока от температуры для германиевых и кремниевых диодов. Факторы, влияющие на прямую ветвь реальной ВАХ диода. ТКН диода.
3. Виды пробоя p-n-перехода. ВАХ диода в области пробоя. Пороговое напряжение.
4. Дифференциальное и статическое сопротивления диода.
5. Эквивалентные схемы и модели диода.
6. Расчѐт рабочего режим диода. Нагрузочная характеристика диода.
7. Применение диодов для выпрямления переменного тока.
8. Параметры выпрямительных диодов.
9. Последовательное и параллельное соединение диодов.
10.Полупроводниковые стабилитроны: принцип работы, основные параметры,
основные схемы включения.
11.Импульсные диоды: особенности конструкции, искажения импульса тока в
диоде, эквивалентная схема и параметры диода.
12.Варикапы: назначение, принцип работы, схема включения, основные параметры и их типовые значения.
13.Туннельный диод: структура, принцип работы, ВАХ диода и область его
применения.
14.Сокращѐнные обозначения п/п диодов и их условные графические обозначения в схемах.
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
15
6 Библиографический список
1.
Жеребцов И.П. Основы электроники
2. Основы микроэлектроники - И.П.Cтепаненко
3.
LTspice компьютерное моделирование электронных схем – В.Володин
Э.170000.000 ЛР
Изм Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
16