Что называют выпрямительным диодом. Параметры транзистора. Сведения, необходимые для выполнения работы

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

1. 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
2. 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.

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ

= I кр/ I э (12.17)

Обычно  =0,9–0,99.

Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его можно получить из соотношения I к=  I э+ I ко , если подставить в него выражениеI э= I б+ I к . ТогдаI к=  (I б+ I к)+ I ко , откуда:

Iк=( /(1–  ))Iб+Iко/(1–  ), (12.18)

I к=  I б+ I коэ, (12.19)

=  /(1–  ), (12.20)

где  =  /(1–  ) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный через .

Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по току. Например, если =0,985, то =66.

Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

I коэ= I ко/(1–  )=(1+  ) I ко (12.21)

Коэффициенты  и являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто называют коэффициентами передачи тока эмиттера( ) и тока базы( ) .

2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен

=  U эб/  U кб , (12.22)

в схеме с ОЭ

=  U бэ/  U кэ , (12.23)

где  U эб,  U бэ,  U кб,  U кэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и коллектора.

3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:

R вхб=  U эв/  I э, (12.23)

в схеме с ОЭ

R вхэ=  U бэ/  I б , (12.24)

где  I э и I б – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.

4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно

R выхб=  U кб/  I к, (12.25)

в схеме с ОЭ

R выхэ=  U кэ/  I к (12.26)

На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора, включённого по схемам ОБ и ОЭ

Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)

Схемы замещения транзисторов типа p-n-p

Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.

Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p - n - p , включенного по схеме с ОБ.

В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами Rвхб=Uэб/Iэ десяткам Ом.

Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов, включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)

Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p - n - p , включенного по схеме с ОК.

Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p - n - p , включенного по схеме с ОЭ.

Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U 1 и ток I 1 , а на выходе соответственно U 2 и I 2 . Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 12-20)

Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.

Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.12-20)

Входное сопротивление VT для переменного тока:

Н 11 = Uбэ/iб (Uкэ=const) (12.27)