Выпрямительные свойства p-n перехода. Выпрямительный диод

Лабораторная работа №2

« Выпрямительный диод »

Цель работы:

снятие основных вольт амперных характеристик выпрямительных диодов и исследование влияния температуры на эти характеристики.

1. Общие сведения

1.1. Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использ у ет свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрич е ского пер е хода.

В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p - n переход, образующийся в кристалле полупроводника на гр а нице двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводим о стью (р-слой), а другой электронной (n -слой). На границе слоев устана в ливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из о д ного слоя в другой.

Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n слой и электр о нов, основных носителей заряда n -слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n -слой дырки нейтрализуются эле к тронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных з а рядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создае т ся избыток отрицательных зарядов.

Таким о б разом, нескомпенсированный положительный заряд в n -слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятс т вует диффузии электронов из n -слоя, то есть в p - n переходе создается п о тенциальный барьер.

Рис.1 Полупроводниковый диод: а- структурная схема, б- схемное обозначение

В диоде с p - n переходом анодный электрод соединен с р - слоем, катодный - с n - слоем, как показано на рис.1а. Схемное обозначение полупроводник о вого диода представлено на рис. 1б.

Вентильное свойство диода отраж а ет его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 2а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного н а пряжения носители заряда преодолевают потенциальный бар ь ер и через p - n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным обр а зом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на о т крытом диоде (участок I на рис.2а) мало и обычно не превыш а ет одного вольта.

Рис. 2 Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а - при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратн о го направлений, б - при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (п о тенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на н е сколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отр а жен на рис. 2а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (уч а сток II на рис. 2а).

На рис. 2б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением н а пряжения в открытом состоянии и протеканием тока в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления откр ы того диода равна нулю, а закрытого - бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис. 2а) при ув е личении отрицательного напряжения переходит в участок III , где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p - n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обрат и мость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной х а рактеристики переходит в участок IV , где происходит тепловой пробой p - n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате ч е го диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис. 2а использую т ся с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис. 3а. На вход схемы подается переменное напряжение, которое представлено синусо и дой на рис. 3б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод отрицател ь ное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопр о тивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказыв а ется приложенным к нагрузке, что отражено на рис. 3в. При отрицательном п о лупериоде входного напряжения (интервал фаз) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагру з ке подводится только положительное напряжение, временная завис и мость которого представлена на рис. 3в. Поскольку оно действует в теч е ние одного полупериода входн о го напряжения, схема на рис. 3а является однополупериодной.

Рис.3 Однополупериодный выпрямитель: а схема выпрямителя; б, в временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняе т ся инерционностью процессов накопления необходимой концентрации з а ряда в области p - n перехода при его открытии и рассасыванием этого зар я да при закрытии.

Рис. 4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

Б. Схема, иллюстрирующая образование двойного электрического слоя в закрытом p - n переходе

На рис. 4а приведена схема замещения p - n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характ е ристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания п е рехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состо я нию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению акти в ного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей н а именование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрич е ского слоя в закрытом p - n переходе, что иллюстрируется рис. 4б, кот о рым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии о с новных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины кот о рых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому ди о ду, предшествующее развитию пробоя в приборе
максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состо я нии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломо щ ные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина сре д него тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 - 10А, а в диодах большой мощности величина тока м о жет достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис. 2а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.2. Температурные свойства полупроводниковые диодов.

На электропроводимость полупроводниковых диодов значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры увеличивается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растёт.

На рис. 5. для германиевого диода (Ge ). видно, что токи I пр и I оьр растут. Это объясняется усилением генерации электронов и дырок. Для Ge диодов I оьр возрастает примерно в два раза, при повышении температуры на каждые десять градусов.

Рис. 5

У Si диодов при нагреве на каждые 10 градусов I оьр увеличивается в 2,5 раза, а напряжение эл. пробоя сначала возрастает а затем снижается.

I пр при нагреве растёт не так сильно, как обратное. Это является следствием того, что I пр возникает главным образом за счёт примесной проводимости, а их концентрация не зависит от температуры.

2. Экспериментальная часть

Рис 6 . Схема лабораторной установки

Элементы лабораторной схемы

Диод Д226Б
Потенциометр Б5К
Резистор 2,4 кОм

Рис 7. Диод Д226Б

Таблица 1. Характеристика диода Д226Б

Тип диода	выпрямительный
Максимальное постоянное обратное напряжение,В
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток,А
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток,А
Максимальное время восстановления,мкс
Максимальное импульсное обратное напряжение,В
Максимально допустимый прямой импульсный ток,А
Максимальный обратный ток,мкА
Максимальное прямое напряжение,В
при Iпр.,А
Рабочая частота,кГц
Общая емкость,Сд.пФ
Рабочая температура,С	60...80
Способ монтажа	в отверстие
Корпус	kdu91
Производитель	Россия

Таблица 2 . Прямая ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	4,86	0,64
	3,34	0,62
	2,23
	1,59	0,58
	1,09	0,56
		0,52
	0,42

Таблица 3. Обратная ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	1,078	6,14
	1,073	6,09
	0,97	5,55
	0,94	5,37
	0,76	4,36
	0,732	4,17
	0,539	3,07
	0,29	1,69

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	6,19	0,62
	4,94	0,60
	2,10	0,55
	0,83
		0,45
	0,21	0,39
	0,11
	0,05	0,12

Таблица 5. Обратная ВАХ диода Д226Б (T = 35˚ C )

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	2,69
	2,18
	2,09	7,33
	1,74
	1,45
	1,15
	0,89
	0,59
	0,31
	0,17	0,58
	0,08

Таблица 6 . Прямая ВАХ диода Д226Б (T = 50˚ C )

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	6,35	0,64
	5,05	0,612
	4,08	0,578
	3,15	0,515
	2,21	0,385
	1,49	0,257
	0,82	0,141
	0,17	0,025

Таблица 7. Обратная ВАХ (t = 50˚ C )

	Значение тока, мА	Значение напряжения, В
	2,64

	2,12
	1,85
	1,55
	1,26
	0,97
	0,69
	0,42
	0,29
	0,19
	0,12

График измеренной вольт амперной характеристики диода Д226Б при разных температурных режимах приведен на рис. 8.

Вывод

В результате выполнения лабораторной работы были сняты вольт амперные характеристики диода Д226Б при обычном режиме работы и при нагревании до температуры 35˚С и 50˚С.

Было установлено, что ток диода зависит от температуры окружающей среды. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10ºC.

У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10ºС обратный ток увеличивается в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, затем уменьшается.

Список литературы

Электротехника и основы электроники/ О.А. Антонова, О.П. Глудкин, П.Д. Давидов. Под ред. О.П. Глудкина, В.П. Соколова. М. : Высшая школа, 1998
Жеребцов И. П. Основы электроники. Л. Энергоатомиздат, 1999

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов / Ю.С.Забродин. М.: Высшая школа, 1982.

4. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: учебник для вузов/ Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин. М.: Энергоатомиздат, 1988.

5. Основы промышленной электроники: учеб. пособие для вузов/ под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высшая школа, 1986.

6. Артюхов И.И. Основы выпрямительной техники: учеб. пособие / И.И.Артюхов, М.А.Фурсаев. Саратов: СГТУ, 2005.

Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе

Лабораторная работа №1

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО СДАЧА

Отчет по лабораторной работе является документом о проделанной работе. Отчет должен содержать номер и название лабораторной работы, ее цель, краткие теоретические сведения, схемы электрических цепей. Отчет составляется каждым студентом самостоятельно.

При оформлении отчета обязательно следует соблюдать требования ЕСКД. Схемы выполняются с применением чертежных инструментов. При составлении схем должны соблюдаться стандартные условно-графические и позиционные обозначения соответствующие ГОСТ.

После выполнения лабораторной работы и подготовки отчета, проводиться его сдача. Студенты должны знать ответы на контрольные вопросы, уметь пояснить принцип работы лабораторной установки по схемам.

Сдача отчета по лабораторной работе проводиться в определенное преподавателем время.

1. Цель работы

Целью работы является:

Исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;

Исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

Устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов;

ВАХ полупроводниковых приборов;

Схемы включения полупроводниковых диодов;

Принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей.

Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) p-n-переходов, называется диодом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции такие диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В.

Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.

Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U на переходе описывается уравнением Эберса-Молла:

где I s - обратный ток насыщения диода, а φ Т - тепловой потенциал.

Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой потенциал φ Т = 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:

Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:

или

При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

На рисунке 1.1а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рисунке 1.1б . Электрод диода, подключенный к области р , называют анодом, а электрод, подключенный к области n , -катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рисунок 1.1в .

Рисунок 1.1 - Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды

Принцип действия диода основан на свойствах p-n-переходов, образуемых в результате полупроводников с различным типом проводимости или контакта полупроводника с металлом (диод Шотки).

Классификация диодов:

1. Выпрямительные

2. Стабилитроны

3. Туннельные

4. Обращённые

5. Варикапы

6. Фотодиоды

7. Светодиоды

8. Диоды Шотки

Делятся на:

Точечные

Плоскостные

Плоскостные диоды обладают большей ёмкостью перехода в схеме замещения.

Так как сопротивление емкости обратно пропорционально частоте напряжения согласно формуле

то на высоких частотах сопротивление падает практически до нуля, т.е. переход закорачивается, а следовательно, p-n-переход не работает на этих частотах.

При подаче прямого напряжения (« + » на анод, « - » на катод) на диод до практически 0,3 В ток через диод не протекает. Это напряжение было необходимо для преодоления потенциального барьера контактного перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток имеет квадратичную зависимость.

Дальнейшее повышение напряжения может привести к такому росту тока, который превысит максимально допустимое значение, а температура области катода, где происходит рекомбинация электронов и дырок, может превысить максимально допустимое значение. В этом случае происходит необратимый процесс теплового пробоя p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается, тем самым ограничивается число инжектируемых электронов из n- в p-область. При достижении U ПР происходит электрический пробой (процесс обратимый). При дальнейшем повышении напряжения электрический пробой переходит в тепловой (необратимый процесс).

Стабилитроны

Принцип действия основан на обратимом электрическом пробое.

При достижении обратного напряжения U ОБР =U СТ происходит электрический пробой p-n-перехода, в результате ток через стабилитрон I C резко возрастает. В результате падение напряжения на R Б увеличивается, а на нагрузке R H остается без изменения.

Стабилитроны серии Д814 имеют напряжение стабилизации от 3 до 20 В.

ЛЕКЦИЯ 3

Туннельный диод

Принцип действия основан на применении так называемого туннельного эффекта.

Используется в быстропереключающих схемах и генераторах. Он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением на определенном участке ВАХ.

Согласно закону Ома . Если повышается напряжение, то ток должен увеличиваться для любого материала. Но при возникновении туннельного эффекта при повышении напряжения от U min до U max ток уменьшается.

Дифференциальное сопротивление на участке, где проявляется туннельный эффект, имеет отрицательное значение, а соотношение между максимальным и минимальным токами

Для получения генерации синусоидальных колебаний в контур включают туннельный диод. В результате алгебраическая сумма активных сопротивлений в контуре равна 0. Поэтому в контуре возникают незатухающие колебания. Отрицательное дифференциальное сопротивление получается за счёт эффекта туннелирования электронов из n-области в р-область противоположно направлению основного электрического поля, приложенного к туннельному диоду. В результате общее число электронов, прошедших через сечение p-n-перехода за единицу времени с ростом внешнего напряжения уменьшается.

Обращённые диоды

Обращенные диоды используются для выпрямления малых напряжений, т.е. обратная ВАХ является как бы прямой для выпрямительного диода. Обращенный диод при малых напряжениях (до 0,3 В) не пропускает ток в прямом направлении, в то же время в обратном направлении электрический пробой наступает уже при нулевом обратном напряжении.

Варикап

Варикап представляет собой электрически управляемую ёмкость.

Ёмкость, как известно из курса физики, представляет собой зависимость

Т.к. ширина p-n-перехода d зависит от приложенного обратного напряжения U обр, то при постоянстве абсолютной, относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p-n-перехода, ёмкость варикапа зависит только от d.

Под воздействием U обр регулируется расстояние между p и n областями. Получаем зависимость: при повышении обратного напряжения ёмкость вырикапа падает.

В качестве варикапов необходимо применять плоскостные диоды, чтобы увеличить ёмкость. Варикапы используются как подстроечные, электрически управляемые конденсаторы в колебательных контурах. Ёмкость их порядка десятков пикофарад (пФ). Варикапы применяют для автоматической подстройки частоты колебаний для удержания её в заданных пределах.

Фотодиод

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, у которого обратный ток зависит от освещенности катода. ВАХ – на рисунке. Зависимость тока от величины освещенности аналогично зависимости тока от приложенного напряжения для обычного диода (выпрямительного), т.е. воздействие электрического и магнитного полей оказывает аналогичное действие.

Светодиод

Светодиод – полупроводниковый прибор, при протекании прямого тока через который область катода начинает светиться.

При протекании примого тока I через p-n-переход число электронов, находящихся на внешней орбите атома уменьшается за счёт их перехода на внутренние орбиты. Это сопровождается выделением квантов электромагнитного излучения. При подборе соответствующего полупроводникового материала мы можем выделить излучение с определенной длиной волны. На практике есть светодиоды, излучающие в областях, начиная с ультрафиолетовой (l<0,4 мкм) и кончая ближней инфракрасной (ИК) – с l до 2 мкм.

При получении излучения в полупроводниковых лазерах используют также данный эффект, но излучение лазера когерентно и монохроматично.

Диод Шотки

Использует контактные явления между полупроводником и металлом. Эффект Шотки возникает лишь в том случае, когда работа выхода электронов в вакуум из металла больше, чем работа выхода электрона из полупроводника.

При контакте полупроводника с металлом за счёт разности энергии выхода электронов из полупроводника диффундируют в область металла, тем самым создают p-n-переход. За счёт отсутствия неосновных носителей заряда (дырок) в металле переход из открытого в закрытое состояние практически безинерционен (время перехода 1¸2 нс).

Называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n - области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p - области больше, чем в n - области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n - области и дырок из p - области. В результате рекомбинации на границе p - и n - областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

Уменьшаться - векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
Увеличиваться - векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) - базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе - анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт - амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт - амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок - из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока - участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой - это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон - дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода.

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход).

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.