Исследование выпрямительных диодов

Цель работы: изучить конструкцию и принцип действия полупроводниковых диодов, снять вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов и экспериментально определить их параметры.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n - переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, детекторные, переключающие, стабилитроны (опорные), туннельные, фотодиоды и др. В частности, выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в ток постоянного направления.

Выпрямительные диоды, как и большинство полупроводниковых диодов, выполняют на основе несимметричных р-n - переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную - базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i-, n-i- переходы, а также переходы металл - полупроводник.

Идеализированная вольт-амперная характеристика диода при прямом включении описывается выражением:

где I_Т - тепловой или обратный ток насыщения;

- ток диффузии основных носителей заряда. I_T за счет снижения потенциального барьера увеличивается в раз и является функцией приложенного напряжения (см. рис. 8.1).

При обратном включении диода потенциальный барьер р-n – перехода повышается. Тепловой ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, остается неизменным, а ток, вызванный диффузией основных носителей заряда, уменьшается по экспоненциальному закону.

Результирующий ток р - n – перехода будет равен:

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I_Т при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода (см. рис. 8.1).

С учетом падения напряжения на базе диода уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики будет иметь вид:

где r_б - омическое сопротивление базы диода.

Рисунок 8.1 – Вольт-амперная характеристика идеального и реального диодов

Используя вольт-амперную характеристику диода можно построить его схему замещения. Для этого вольтамперную характеристику аппроксимируют отрезками прямых линий (количество отрезков желательно выбирать не более двух) и для каждого участка аппроксимации составляют линейную электрическую схему замещения. Для диода (см. рис. 8.2) участки аппроксимации описываются уравнениями:

Участок 1: i = 0; U£ E₀;

Участок 2: U = E₀ + i∙R_д; U³ E₀,

где R_д - дифференциальное сопротивление диода.

Соответственно, схемы замещения имеют вид, показанный на рисунке 8.3.

Рисунок 8.2 – Аппроксимация вольт-амперной характеристики диода

Рисунок 8.3 – Схема замещения диода

При увеличении обратного напряжения может произойти пробой р-n - перехода диода. Под пробоем р-n - перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, при этом возрастает обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-n -перехода, когда количество теплоты выделяемой током в р-n - переходе, больше количества теплоты, отводимой от него.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. При лавинном пробое напряжение на p-n -переходе остается постоянным.

Тепловой пробой p-n - перехода необратимый и приводит к разрушению перехода. Туннельный и лавинный пробои являются обратимыми.

а) прямое включение

б) обратное включение

Рисунок 8.4 – Схемы для снятия вольт-амперной характеристики выпрямительных диодов

Рисунок 8.5 – Схема для исследования работы диода при действии на входе переменного синусоидального сигнала