Построение графиков ВАХ

 

Основными параметрами  выпрямительных полупроводниковых  диодов являются:

1. прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);
2. максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода;
3. максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
4. постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр мах;
5. средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;
6. максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода.

 

        По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (Iвп.ср £ 0,3А), средней мощности (0,3А < Iвп.ср £ 10А) и большой мощности (Iвп.ср > 10А).

        Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С.

 

 

     

 

 

Рисунок 10.  Изменение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода от температуры: а − для германиевого диода; б  − для        кремниевого диода

 

        Падение напряжения при пропускании прямого тока у германиевых диодов составляет DUпр = 0,3…0,6В, у кремниевых диодов − DUпр = 0,8…1,2В. Большие падения напряжения при прохождении прямого тока через кремниевые диоды по сравнению с прямым падение напряжения на германиевых диодах связаны с большей высотой потенциального барьера р-n- переходов, сформированных в кремнии.

        С увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается, что связано с уменьшением высоты потенциального барьера.

       При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток, обусловленный движением не основных носителей заряда через р-n- переход.

       При повышении температуры р-n- перехода число не основных носителей заряда увеличивается за счет перехода части электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

       В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейшей рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n- перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7…0,8)Uпроб.

        Допустимое обратное напряжение германиевых диодов достигает − 100…400В, а кремниевых диодов − 1000…1500В.

       Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный). Используются в схемах управления и коммутации, для ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т.д.

       В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратного напряжения превышают номинальное значение параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным соединением диодов.

         Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие несовпадения прямых ветвей ВАХ они окажутся различно нагруженными и, в некоторых прямой ток будет больше предельного.

 

Рисунок 11 - Параллельное соединение выпрямительных диодов

 

            Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей ВАХ (производят их подбор) или последовательно с диодами включают уравнительные резисторы с сопротивлением в единицы Ом. Иногда включают дополнительные резисторы (рис. 11, в) с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением Rд, т.е. Rд >> rпр вд. Величина Rд составляет сотни Ом.

        Последовательное соединение диодов применяют для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток Iобр. однако ввиду различия обратных ветвей ВАХ общее напряжение будет распределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь ВАХ идет выше, будет приложено большее напряжение. Оно может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов.

 

Рисунок 12 - Последовательное соединение выпрямительных диодов

 

         Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование диодов резисторами. Сопротивления Rш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов Rш << rобр вд, чтобы ток, протекающий через резистор Rш, был на порядок больше обратного тока диодов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Области применения диодов

 

Таблица 2 - Обозначение и ВАХ

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод

 

 

          1.5 Конструкция диодов

          По конструкции их делят на плоскостные и точечные. Плоские ПД имеют плоскостной переход, точечный переход создается около контакта острия металлической пружинки с ПП кристаллом n-типа.

       Точечные диоды имеют малую ёмкость р-n перехода, поэтому могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но они допускают малые прямые токи (до единиц миллиампер) и небольшие обратные напряжения (до нескольких десятков вольт) Поэтому их применяют в маломощных электронных устройствах промышленной электроники, радиотехники,  вычислительной техники и т.д.

        Плоскостные диоды находят широкое применение при выпрямлении переменного тока. Их прямые токи достигают нескольких сотен ампер, а обратные напряжения - нескольких сотен вольт.

        Плоскостные диоды создаются по сплавной или диффузионной технологии.

        При сплавной технологии, например, в пластинку германия n-типа вплавляется таблетка индия либо в кремниевую пластинку n-типа вплавляется таблетка алюминия. В процессе сплавления при высокой температуре трехвалентный металл проникает в пластинку n-типа, образуя тонкий слой р-типа. При диффузионной технологии также за основу принимается кристалл n-типа (кремний). В пластинку при высокой температуре осуществляют диффузию атомов акцепторной примеси (алюминия,   бора).   В результате образуется р-область. Омические контакты (анод и катод) создают напылением металла в вакууме. Пластинку вместе с контактами размещают в герметическом корпусе со стеклянным изолятором одного вывода прибора от корпуса.

         Принцип действия ПД основан на свойстве односторонней проводимости р-n перехода: при прямом напряжении его сопротивление мало; при обратном - велико. Это свойство диодов используют при построении выпрямителей - устройств, преобразующих переменное разнополярное напряжение в однополярное напряжение или ток.

 

Из основных и справочных параметров выпрямительных диодов необходимо отметить:

1. максимально допустимый прямой  ток

2. прямое напряжение на диоде  при заданном значении прямого 

3. максимально допустимое обратное  напряжение обычно   значительно меньше пробивного;

4. обратный ток при заданном  обратном напряжении;

5. диапазон рабочих температур  окружающей среды.

 

              В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды подразделяют на диоды малой мощности (прямой ток до 0,3 А), средней мощности (прямой ток от 0,3 до 10А) и большой мощности (прямой ток более 10 А).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

1.6 Особенности германиевых диодов

           Основные отличия ВАХ и параметров германиевых и кремниевых выпрямительных плоскостных диодов заключаются в следующем.

1. Прямое напряжение на германиевом  диоде при максимально допустимом  прямом токе приблизительно в  два раза меньше чем на кремниевом  диоде. Это вызвано меньшей  высотой потенциального барьера  германиевого р-n-перехода является  существенным, но, к сожалению, единственным  преимуществом перед кремниевыми  выпрямительными диодами.

2. Существование тока насыщения  при обратном включении германиевого  диода, что вызвано механизмом  образования обратного тока —  процессом экстракции неосновных  носителей заряда из прилегающих  к р-n-переходу областей.

3. Значительно большая плотность  обратного тока в германиевых  диодах, так как при прочих  равных условиях концентрация  неосновных носителей заряда  в германии больше на несколько  порядков, чем в кремнии.

4. Большие обратные токи через  германиевые диоды, в результате  чего пробой германиевых диодов  имеет тепловой характер. Поэтому  пробивное напряжение германиевых  диодов уменьшается с увеличением  температуры, а значения этого  напряжения меньше пробивных  напряжений кремниевых диодов.

5. Верхний предел диапазона рабочих  температур германиевых диодов  составляет приблизительно 75°С, что  значительно ниже по сравнению  с тем же параметром кремниевых  диодов.

 

 

 

              Существенной особенностью германиевых диодов и их недостатком является то, что они плохо выдерживают даже очень кратковременные импульсные перегрузки при обратном направлении для p-n-перехода. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов — тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Практическая часть

Принадлежности: диод Дn, миллиамперметр, вольтметр, потенциометр,

двухполюсный  переключатель Т, РИП (регулируемый источник питания).

2.1 Описание схемы 

          Вольт-амперной характеристикой называется зависимость силы тока, протекающего через проводник, от напряжения. Для снятия вольт-амперной характеристики диода собирают следующую схему (рис. 3). Однополюсный ключ Т₃, даёт возможность менять направление тока через диод. Величина

прямого тока измеряется миллиамперметром mА, величина обратного тока измеряется микроамперметром.

Напряжение  измеряется вольтметром V. График зависимости  прямого (обратного) тока от напряжения на вольтметре V даст вольт-амперную характеристику диода.

 

Рисунок 13 – блок-схема установки

 

 

 

 

• Подготовка к работе

Для получения  вольт-амперных характеристик прямого  тока от напряжения:

1. Выведите  потенциометр в нулевое положение  (т. е. поверните ручку регулятора  по против часовой стрелки  до упора).

2. Подсоедините  к установке соответствующие  измерительные приборы, соблюдая  полярность.

3. На приборе  №1 установите переключатель   в сектор «20», на приборе  №2 установите переключатель  в сектор 20-200 mA

4. Проверьте  полярность на используемом диоде. 

5. Определите  цену деления приборов.

• Порядок выполнения работы

1. Включите  в сеть питания, затем включите  тумблер "сеть", загорится контрольная  лампа. Прибор готов к измерению. 

2. Переведите  тумблер в положение «Прямой» (измерение прямого тока I_пр). В этот момент работают приборы mА и V.

3. Изучите  зависимость прямого тока I_прот напряжения U_пр, изменяя напряжение от 0 до 4,5 В (через каждые 0,2 В).