mājas elektriskais aprīkojums

Pusvadītāju taisngriežu diodes. Taisngrieža īpašības p-n pāreja

27.02.2018

2. laboratorija

« taisngrieža diode»

Mērķis:

taisngriežu diožu galvenā volta - ampēru raksturlielumu noņemšana un temperatūras ietekmes uz šiem raksturlielumiem izpēte.


1. Vispārīga informācija

1.1. pusvadītāju diode

Vienkāršākā pusvadītāju ierīce ir diode. Tas ir aprīkots ar diviem elektrodiem, ko sauc par anodu un katodu, un izmanto plkst ir vienvirziena (vai ventilācijas) elektriskās vadīšanas īpašība esky pāreja.

Kā šāda pāreja, visizplatītākā p - n pāreja veidojas pusvadītāju kristālā uz gr bet divu slāņu slānis, no kuriem vienam ir raksturīga caurumu vadītspēja par stu (p-slānis), bet otrs - elektroniskais ( n - slānis). Pie slāņu robežas iekšā pastāv apstākļi, kas novērš galveno lādiņnesēju savstarpēju iespiešanos no apm d slāni uz otru.

Tas izskaidrojams ar to, ka caurumu difūzijas laikā p-slāņa galvenie lādiņnesēji, n - slānis un electr o jauni, lielākā daļa maksas nesēji n -slāņa nekompensēti nekustīgu jonu lādiņi veidojas p-slānī abās robežas pusēs: n -slāņa caurumus neitralizē elementi uz šī slāņa troni, kā rezultātā pozitīvā pārpalikums bet rindas, un elektroni, kas nonāca p-slānī, tiek neitralizēti ar šī slāņa caurumiem, kā rezultātā T ir negatīvo lādiņu pārpalikums.

Tātad b uzreiz iekšā nekompensēts pozitīvs lādiņš n - slānis novērš caurumu tālāku difūziju no p-slāņa, un nekompensētais negatīvais lādiņš p-slānī novērš T ir atbildīgs par elektronu difūziju no n-slānis, tas ir, p - n pāreju rada par potenciālā barjera.

1. att. Pusvadītāju diode: a- strukturālā shēma, b - ķēdes apzīmējums

Diodē ar p - n ar pāreju anoda elektrods ir savienots ar p - slāni, katods - ar n - slānis, kā parādīts 1.a attēlā. Shēmas apzīmējums pusvadītājs par kreisā diode ir parādīta att. 1b.

Diodes vārtu īpašība ir atstarojoša bet tā strāvas-sprieguma raksturlielums parādīts att. 2a. Ar pozitīvu spriegumu (anodam ir lielāks potenciāls nekā katodam) diode ir atvērta: zem pielietotā n bet lādiņu nesēji pārvar potenciālo latiņu b ep un caur p - n plūst pārejas strāva, kas ir saistīta ar pārnesi, galvenokārt arr. bet zom, p-slāņa galvenie lādiņnesēji, caurumi. Sprieguma kritums uz T pārklāta diode (sadaļa es 2.a) ir mazs un parasti nepārsniedz bet ir viens volts.


Rīsi. 2 voltu ampēru raksturlielums pusvadītāju diodei:

a - citā strāvu un spriegumu skalā uz priekšu un atpakaļgaitā par th virzieni, b - tajā pašā mērogā

Ar negatīvu spriegumu (lpp par anoda potenciāls ir mazāks par katoda potenciālu), diodes strāva ir saistīta ar mazākuma lādiņu nesēju pārnesi, kuru koncentrācija ir zema. Pašreizējā vērtība uz n e cik kārtu ir mazāka par atvērtas diodes strāvu, un spriegums ir simtiem reižu lielāks. Šis fakts ir bet sievas att. 2a ar dažādām skalām uz strāvu un spriegumu asīm parametru pozitīvajām un negatīvajām vērtībām. Nenozīmīgi mazas strāvas pie negatīva sprieguma norāda uz diodes slēgto stāvokli (saskaņ. un notekas II att. 2a).

Uz att. 2b zemes gabali I un II diodes strāvas-sprieguma raksturlielumi tiek parādīti tajā pašā skalā, kad var neņemt vērā kritumu n bet spriegums atvērtā stāvoklī un strāvas plūsma - slēgtā stāvoklī. Pirmajā tuvinājumā mēs varam pieņemt, ka atvērtās pretestības vērtība s ka diode ir nulle, bet aizvērta - bezgalība.

II sižets diodes strāvas-sprieguma raksturlielums (2.a att.) pie SW e pieliekot negatīvo spriegumu, tas nonāk sekcijā III , kur ir spēcīgs strāvas pieaugums ar nelielu sprieguma pieaugumu. Šajā jomā in p - n pārejā notiek elektrisks pārrāvums, tas ir, lavīnai līdzīgs strāvas pieaugums. raksturīga iezīmešāds sadalījums ir pretējs Un tilts: kad spriegums tiek noņemts un tam sekojošs pieaugums, strāvas-sprieguma raksturlieluma gaita nemainās, ierīce saglabā savu veiktspēju. Elektriskās pārrāvuma strāvas-sprieguma x diagramma bet īpašības iekļaujas sižetā IV kur notiek termiskais sabrukums p - n pāreja, kurā kristāla karsēšana noved pie pārejas iznīcināšanas, kā rezultātā h e th diode nedarbojas.

I un II zemes gabals strāvas-sprieguma raksturlielums att. 2a lietošana T Xia maiņstrāvas sprieguma iztaisnošanai, kura principu var ilustrēt ar ķēdes piemēru, kas parādīts attēlā. 3a. Ievade ķēdē ir Maiņstrāvas spriegums, ko attēlo sinuss Un doi attēlā. 3b laika diagramma. Fāzes intervālā diodes anodam tiek pielikts pozitīvs spriegums, bet katodam - negatīvs spriegums. b Noa. Diode ir atvērtā stāvoklī, un strāva plūst caur slodzi virknē ar to. Ja pieņemam nulles pretestību par atvērtas diodes pretestība, tad iedarbojas viss tai piegādātais spriegums bet tiek piemērots slodzei, kas parādīta attēlā. 3c. Ar negatīvu lpp par Ieejas sprieguma cikla laikā (fāzes intervālā) diode ir aizvērta, un spriegums caur to nenonāk slodzei. Tādējādi uz slodzi h Ja tiek pielietots tikai pozitīvs spriegums, laika aizkave Un kura tilts parādīts att. 3c. Tā kā tas darbojas laikā e viena puscikla ieeja par spriegums, diagramma att. 3a ir pusviļņs.


3. att. Pusviļņu taisngriezis: a - taisngrieža ķēde; b, c - laika diagrammas, kas ilustrē tā darbību

Jāpatur prātā, ka diodes pāreja no slēgta stāvokļa uz atvērtu stāvokli un otrādi notiek ar laika aizkavi, ko izskaidro ar T vajadzīgās koncentrācijas uzkrāšanās procesu inerces dēļ un sērija reģionā p - n pāreja tās atvēršanas brīdī un šī lādiņa rezorbcija Es jā slēdzot.

Rīsi. 4. a. Pusvadītāju diodes ekvivalentā ķēde.

B. Shēma, kas ilustrē elektriskā dubultā slāņa veidošanos slēgtā p - n pāreja

Uz att. 4a parāda līdzvērtīgu ķēdi p - n krustojums, galvenais diodes elements, kas darbojas zonās es un P volt-ampēra raksturs e ristis. Atslēgas K klātbūtne shēmā atspoguļo iespēju palikt e pāreja divos stāvokļos. Atslēgas pozīcija "a" atbilst atvērtajam stāvoklim, kurā pāreju raksturo ļoti maza pretestība. Atslēgas pozīcija "b" atbilst slēgtajam stāvoklim es jonu, kurā pāreja ir līdzvērtīga akti paralēlam savienojumam iekšā ļoti lielas vērtības un kapacitātes pretestība, kas saņēma n bet nosaucot "barjeru". Šī kapacitāte atspoguļo dubultās elektriskās strāvas veidošanās faktu e slānis slēgtā p - n pāreja, kas parādīta attēlā. 4b, kat par acs ir potenciālas barjeras dēļ, kas novērš o difūziju no jauni lādiņnesēji, pārejot.

Uzticama veiktspēja taisngrieža diode nodrošināta tikai tad, ja tā darbojas ar elektriskie parametri, vērtības kat par ryh nepārsniedz pieļaujamās vērtības. Šīs vērtības ir norādītas atsauces datos. Parasti tiek ņemti vērā šādi taisngrieža diodes parametri:

  • maksimālais apgrieztais spriegums, kas pielikts slēgtajai di par du, pirms ierīces bojājuma rašanās
  • maksimālās pieļaujamās vidējo un impulsu strāvu vērtības, pie kurām ierīce nepārkarst atvērtā stāvoklī man vajag.

Pēc jaudas līmeņa diodes iedala mazjaudas ierīcēs. SCH nye, vidēja un liela jauda. Mazjaudas diodēs vidējā vērtība d tā strāva nepārsniedz 0,3A, vidējas jaudas diodēs strāvas vērtības ir diapazonā no 0,3 - 10A, bet lielas jaudas diodēs strāvas vērtība m par var sasniegt 1000A un vairāk.

Elektriskās pārrāvuma režīmā pie zema sprieguma diode var palikt ilgu laiku. Tāpēc sižets III par pusvadītāju diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu att. 2a var izmantot sprieguma stabilizēšanai. Šis režīms tiek īstenots īpašās diodēs, ko sauc par zenera diodēm. Šajās ierīcēs tiek nodrošināts diezgan plašs anoda strāvu diapazons, kurā sprieguma vērtība praktiski nemainās.

1.2. Pusvadītāju diožu termiskās īpašības.

Pusvadītāju diožu elektrovadītspēju būtiski ietekmē temperatūra. Temperatūrai paaugstinoties, palielinās lādiņnesēju pāru veidošanās; nesēja koncentrācija palielinās un vadītspēja palielinās.

Uz att. 5. germānija diodei ( Ge ). var redzēt, ka straumes Es pr un es op aug. Tas izskaidrojams ar elektronu un caurumu ģenerēšanas uzlabošanos. Priekš Ge diodes I op aptuveni dubultojas uz katriem desmit temperatūras paaugstināšanās grādiem.


Rīsi. pieci

Vu Si diodes sildot par katriem 10 grādiem Es op palielinās 2,5 reizes, un e-pasta spriegums. sadalījums vispirms palielinās un pēc tam samazinās.

Es pr sildot neaug tik daudz kā otrādi. Tās ir sekas tam, ka Es pr rodas galvenokārt piemaisījumu vadītspējas dēļ, un to koncentrācija nav atkarīga no temperatūras.

2. Eksperimentālā daļa


6. att . Laboratorijas iekārtojuma shēma

Laboratorijas ķēdes elementi

  • Diode D226B
  • Potenciometrs B5K
  • Rezistors 2,4 kΩ

7. att. Diode D226B

1. tabula. Diodes D226B raksturlielumi

Diodes tips

taisngriezis

Maksimālā konstante apgrieztais spriegums, V

Maksimālā līdzstrāva (taisnota pusciklam), A

Maksimālā līdzstrāva (taisnota pusciklam), A

Maksimālais atkopšanas laiks, µs

Maksimālais impulsa reversais spriegums, V

Maksimālā pieļaujamā tiešā impulsa strāva, A

Maksimālā reversā strāva, uA

Maksimālais priekšējais spriegums, V

pie Ipr.,A

Darba frekvence, kHz

Kopējā jauda, ​​Sd.pF

Darba temperatūra, С

60...80

Montāžas metode

caurumā

Rāmis

kdu91

Ražotājs

Krievija

2. tabula . D226B diodes tiešais CVC (istabas temperatūrā)

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

4,86

0,64

3,34

0,62

2,23

1,59

0,58

1,09

0,56

0,52

0,42

3. tabula. Diodes D226B reversais CVC (istabas temperatūrā)

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

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

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

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

5. tabula. Diodes D226B reversais CVC ( T = 35˚C)

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

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

6. tabula . Diodes D226B tiešais CVC ( T = 50˚C)

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

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

7. tabula. Apgrieztais CVC ( t = 50˚C)

Pašreizējā vērtība, mA

Sprieguma vērtība, V

2,64

2,12

1,85

1,55

1,26

0,97

0,69

0,42

0,29

0,19

0,12

Diodes D226B izmērīto voltu ampēru raksturlielumu grafiks dažādos apstākļos temperatūras apstākļi attēlā parādīts. 8.

Izvade

Laboratorijas darbu rezultātā tika izmērīti D226B diodes volt-ampēru raksturlielumi normālas darbības laikā un uzkarsējot līdz 35˚С un 50˚С temperatūrai.

Tika konstatēts, ka diodes strāva ir atkarīga no apkārtējās vides temperatūras. Kad diode tiek uzkarsēta, tiešā strāva nepalielinās tik daudz kā pretējā strāva. Tas izskaidrojams ar to, ka līdzstrāva rodas galvenokārt piemaisījumu vadītspējas dēļ, un piemaisījumu koncentrācija nav atkarīga no temperatūras.

Germānija diodēm reversā strāva palielinās par aptuveni 2 reizēm par katru 10ºC temperatūras paaugstināšanos.

Plkst silīcija diodes sildot uz katriem 10ºС, apgrieztā strāva palielinās par 2,5 reizes, un elektriskās pārrāvuma spriegums, palielinoties temperatūrai, vispirms nedaudz palielinās, pēc tam samazinās.

Bibliogrāfija

  1. Elektrotehnika un elektronikas pamati / O.A. Antonova, O.P. Gludkins, P.D. Davidovs. Ed. O.P. Gludkins, V.P. Sokolovs. – M.: Augstskola, 1998. gads
  2. Žerebcovs IP Elektronikas pamati. - L. Energoatomizdat, 1999. gads

3. Zabrodin Yu.S. Rūpnieciskā elektronika: mācību grāmata universitātēm / Yu.S. Zabrodin. Maskava: Augstskola, 1982.

4. Gorbačovs G.N. Rūpnieciskā elektronika: mācību grāmata universitātēm / G.N. Gorbačovs, E.E. Čaplygins. Maskava: Energoatomizdat, 1988.

5. Rūpnieciskās elektronikas pamati: mācību grāmata. pabalsts augstskolām / red. V. G. Gerasimovs. Maskava: Augstskola, 1986.

6. Artjuhovs I.I. Taisngriežu tehnoloģijas pamati: mācību grāmata. pabalsts / I.I. Artjuhovs, M.A. Fursajevs. Saratova: SGTU, 2005.

Ja pusvadītāju slāņiem tiek pielikts ārējais spriegums tā, lai tā radītais elektriskais lauks būtu vērsts pretēji elektriskā lauka virzienam starp telpas lādiņu apgabaliem, tad tiek pārkāpts dinamiskais līdzsvars, un difūzijas strāva dominē pār dreifējošo strāvu. , strauji pieaugot, palielinoties spriegumam. Šo sprieguma savienojumu ar p-n krustojumu sauc par priekšējo nobīdi.

Ja ārējais spriegums tiek pielietots tā, lai tā radītais lauks būtu tādā pašā virzienā kā lauks starp telpas apgabaliem, tad tas tikai palielinās telpas lādiņu slāņu biezumu un strāvu caur pn krustojumu. ir ļoti mazs, un to nosaka elektronu caurumu pāru termiskā vai fotonu ģenerēšana. Šo sprieguma savienojumu ar p-n krustojumu sauc par apgriezto nobīdi.




Ja p-n pārejai pieslēgts ārējais spriegums Evn, kura polaritāte ir pretēja kontakta potenciālu starpības Uk polaritātei, tad šādu ieslēgumu sauc. tiešā veidā(n-apgabals ir savienots ar Evn negatīvo polu, bet p-apgabals ir savienots ar Evn pozitīvo polu). Ar šo iekļaušanu p-n krustojumā parādās papildu ārējais elektriskais lauks, kas samazina tā iekšējo lauku. Kopējo lauku Eε, kas darbojas pārejā, noteiks:

Ārējā lauka iedarbībā galvenie lādiņnesēji pārvietosies uz p-n krustojumu, samazinot potenciālo barjeru un platumu. p-n krustojums, kas tiks noteikts:

Parādīsies difūzijas strāvas pieaugums, kas kļuva iespējams, palielinoties galveno lādiņu nesēju enerģijai un samazinoties potenciālajai barjerai. Tas novedīs pie nelīdzsvarotības starp difūzijas un dreifējošām strāvām. Pieaugot |Evn| difūzijas strāva palielināsies.

Ar |Uk|=|Evn| pārejas biezums tiecas uz nulli, jo ārējais spriegums gandrīz pilnībā kompensē Uк. Šajā gadījumā galvenie lādiņu nesēji sāks brīvi izkliedēties reģionā ar pretēju elektrovadītspējas veidu. Caur krustojumu plūdīs strāva, ko sauc tiešā veidā:

, ciktāl ,

Tiek saukts lādiņnesēju ievadīšanas (“sūknēšanas”) process caur p-n savienojumu reģionos, kur tie kļūst par mazākuma nesējiem potenciālās barjeras samazināšanās dēļ. injekcija.

IN simetrisks p-n pārejas divpusēja injekcija. (Nn = Pp)

Asimetriskos p-n krustojumos (Nd >> Na, Nn >> Pp; vai Nd<< Na, Pp >> Nn), vairākuma nesēju koncentrācijas atšķiras par vairākām kārtām ( - ), tāpēc injicēto mazākuma nesēju koncentrācija būs daudz augstāka augstas pretestības slānī nekā zemas pretestības slānī.

Tiek saukts injekcijas slānis ar salīdzinoši zemu pretestību emitētājs; tiek saukts slānis, kurā tiek ievadīti mazākuma nesēji bāze. Kad pāreja tiek ieslēgta tieši, elektroni, kas ir pārgājuši no n-apgabala uz p-apgabalu, difūzijas un dreifēšanas dēļ pārvietojas šajā reģionā. Daļa elektronu šīs kustības laikā rekombinējas ar caurumiem p-apgabalā, un pārējā daļa, ko uztver ārēja avota lauks, nokrīt uz tā pozitīvā pola, aizverot ķēdi.

Caurumi, kas ir pārgājuši no p-reģiona uz n-apgabalu, pilnībā rekombinējas n-apgabalā. Līdzstrāvu Ipr caur krustojumu ierobežo p- un n-apgabalu omiskā pretestība un Evn iekšējā pretestība, kā rezultātā Ipr var sasniegt vērtības, kas pārsniedz pieļaujamās vērtības, kas iznīcinās pn. krustojums. Lai no tā izvairītos, Ipr jāierobežo ar elementiem, piemēram, rezistoriem, kas savienoti virknē p-n ķēde pāreja. Apskatīsim enerģijas joslu diagrammas p-n krustojumam, kas atrodas līdzsvara stāvoklī un ir nobīdīts uz priekšu.

Diagramma bez nobīdes p-n krustojuma.



ir Fermi kvazipotenciāls;

`n un `p ir nelīdzsvara stāvokļa kvazi-Fermi līmeņi.

Enerģijas diagramma p-n krustojumam ar novirzi uz priekšu.

Ja nav termodinamiskā līdzsvara, ir ierasts ieviest divus jaunus lielumus `n un `p, kas aizstāj n un p. Tiek izsaukti `n un `p kvazi Fermi līmeņi attiecīgi elektroni un caurumi.

; ir elektronu un caurumu Fermi kvazipotenciāli.

Ārējā sprieguma pielikšana p-n krustojumam (tiešs) noved pie relatīvā līdzsvara stāvokļa kvazi-Fermi līmeņu nobīdes. Ja Evn>0, tad šī vērtība tiek atņemta no Uк un noplicinātā reģiona platums samazinās.

Ar priekšējo spriegumu krustojumā galveno lādiņnesēju difūzijas strāva I0=Idif palielinās par koeficientu exp(Evn/φТ) potenciāla barjeras samazināšanās dēļ un ir pielietotā sprieguma funkcija:
, kur ir strāva, kas plūst caur p-n krustojumu līdzsvara stāvoklī virzienā uz priekšu.

Strāvas dreifēšanas komponents, pieslēdzot ārēju līdzspriegumu, praktiski nemainās Idr=const. Bet tā kā līdzsvara stāvoklī |Idiff| = |Idr| , tad Idr \u003d -I0. Mīnusa zīme norāda, ka šī strāva plūst pretēji difūzijas strāvai.

Bet tā kā Ipr ir atšķirība starp Idif un Idr, tad


p-n pārejas kapacitāte

Augstas pretestības noplicināšanas slānī pn pāreja, abās tās robežas pusēs ir telpas lādiņi, kuru vērtība ir vienāda un pretējā zīme: negatīvs iekšā lpp– laukums, pozitīvs – in n- apgabali. Šos lādiņus rada piemaisījumu jonu klātbūtne un (4.7. att.), un, pieliekot tiešu nobīdi krustojumam, tie rodas papildu lādiņu dēļ, kas radušies mazākuma lādiņnesēju injekcijas laikā. Atkarībā no pielietotā sprieguma mainās noplicinātā slāņa biezums un līdz ar to arī lādiņu vērtības J. Tas norāda uz to pn krustojumam ir elektriskā kapacitāte , kur U ir kontakta potenciāla atšķirība pn pāreja. Kopumā jauda pn Pāreja sastāv no divām daļām:

NO=NO bārs + NO df, (4.13)

kur NO bārs - barjeras jauda pn pāreju uz to piemērojot apgrieztais spriegums U arr; NO df - difūzijas kapacitāte, rodas, uzklājot uz pn priekšējā sprieguma pāreja U utt.

Kapacitāte pie apgrieztā sprieguma. apgriezti neobjektīvs r-p pāreju raksturo specifisks barjeras kapacitāte, kur S- pārejas zona. Barjeras kapacitātes raksturs ir saistīts ar lādiņa atdalīšanu izsīkuma reģionā pn pāreja. Šī lādiņa lielumu pakāpeniskā (asā) lādiņā nosaka attiecība

, (4.14)

kur N d Un N a- piemaisījumu koncentrācija n- Un p- pārejas zonas.

Ņemot vērā formulu (4.4) noplicinātā slāņa platuma aprēķināšanai l, kurā j to vērtība tiek aizstāta ar j uz + U,

,

par lādiņa lielumu, ko mēs iegūstam

. (4.15)

Diferencēšana (4.15) attiecībā uz spriegumu U, mēs iegūstam vēlamo attiecību konkrētajai barjeras kapacitātei pn pāreja formā

. (4.16)

Ja pn pāreja ir asimetriska, tas ir, dopanta koncentrācija vienā no pārejas apgabaliem ievērojami pārsniedz koncentrāciju otrā reģionā, tad izteiksme NO josla ir vienkāršota un iegūst formu

, (4.17)

kur N ir piemaisījumu koncentrācija augstas pretestības reģionā pn pāreja

Par silīciju plkst N=10 22 m -3 un U= 4 V iegūstiet vērtību NO b aptuveni 1,5 × 10 -4 F/m2 . Kad pārejas zona S=10 -6 m 2 barjeras kapacitāte būs aptuveni 150 pF.

Tiek saukta kapacitātes atkarība no sprieguma kapacitātes-sprieguma raksturlielums. No attiecībām (4.16) un (4.17) izriet, ka, apgrieztajai novirzei pieaugot par pn barjeras kapacitāte samazinās diezgan ātri. Šo īpašību izmanto mainīgu kondensatoru ražošanā ar elektriski vadāmu kapacitātes vērtību, ko sauc varicaps.

Kapacitāte pie tiešā sprieguma.Šajā gadījumā kapacitāti nosaka divi fiziski iemesli pn pāreja. Pirmais no tiem ir tāds pats kā reversajam spriegumam: tas ir lādiņu izmaiņas noplicināšanas slānī. Otrais ir tas, ka, palielinoties spriegumam, kas tiek piemērots pn pārejā palielinās injicēto nesēju koncentrācija neitrālajos reģionos pie pārejas robežām un attiecīgi palielinās šo nesēju dēļ uzkrātā lādiņa vērtība. Līdz ar to palielinās uzkrātās maksas vērtība Q C df palielinās, palielinoties tiešajam spriegumam saskaņā ar eksponenciālo likumu (4.18). Tāpēc difūzijas kapacitāte ir mazāka par barjeras kapacitāti līdz sprūda spriegumam pn pāreja ( U<0,5…0,6 В), затем она резко увеличивается и, при U>0,6 V, sāk pārsniegt barjeras kapacitāti.

Pusvadītājos ir iespējams izveidot arī sarežģītāku fizisko struktūru n-p-n Un p-n-p, kā arī n-p-n-p Un p-n-p-n pārejas, kas ļauj pastiprināt un pārslēgt strāvas. Šīs pārejas ir pamatā pusvadītāju ierīču izveidei, ko sauc bipolāri tranzistori Un tiristori.

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Labs darbs uz vietni">

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

5. nodarbība Taisngrieža diode

5.1 Taisngriežu diodes

taisngriezis sauc par diodēm, kas paredzētas taisnošanai maiņstrāva. Otrais šo diožu apzīmējuma elements ir burts "D". Taisngrieža diodes nosacīts grafiskais attēlojums ir parādīts att. 2.2.

Atkarībā no rektificētās strāvas vērtības izšķir mazjaudas diodes (/ pr, m ah< 0,3 А) и средней мощности (0,3 А < / пр, m ах < 10 А). Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом.

Lai izkliedētu siltumu, uz dzesēšanas radiatoriem novieto vidējas jaudas diodes (2.3. att., b).

Parasti pieļaujamais strāvas blīvums, kas iet caur p-n pāreju, nepārsniedz 2 A / mm 2, tāpēc taisngriežu diodēs tiek izmantoti plaknes p-n savienojumi, lai iegūtu virs vidējās rektificētās strāvas vērtības. Iegūtā pn pārejas lielā kapacitāte zemo darbības frekvences dēļ būtiski neietekmē diodes darbību.

Viena un tā paša dizaina germānija un silīcija diožu strāvas-sprieguma raksturlielumi atšķiras. Salīdzinājumam 2.4. attēlā parādīti germānija (D3O4) un silīcija (D242) diožu raksturlielumi, kurām ir vienāda konstrukcija un kuras ir paredzētas darbam vienā strāvu un spriegumu diapazonā. Tā kā silīcija joslas sprauga ir lielāka nekā germānijam, silīcija diožu reversā strāva ir daudz mazāka. Turklāt silīcija diožu raksturlielumu reversajam atzaram nav izteikta piesātinājuma apgabala, kas ir saistīts ar lādiņu nesēju veidošanos p-n savienojumā un noplūdes strāvām gar kristāla virsmu.

Lielās reversās strāvas dēļ germānija diodēs notiek termiskais sadalījums, kas izraisa kristāla iznīcināšanu. Mazās reversās strāvas dēļ silīcija diodēm ir maza termiskā sabrukuma iespējamība, un tās piedzīvo elektrisku sabrukumu.

Tā kā diodes tiešo strāvu nosaka vienādojums, silīcija diodes zemākās pretējās strāvas dēļ tās tiešā strāva, kas ir vienāda ar germānija diodes strāvu, tiek sasniegta pie lielāka tiešā sprieguma. Tāpēc jauda, ​​kas izkliedēta pie tādām pašām strāvām germānija diodēs, ir mazāka nekā silīcija diodēs. Šī iemesla dēļ germānija diodes ir stāvākas nekā silīcija diodes.

Diožu īpašības būtiski ietekmē apkārtējās vides temperatūra. Temperatūrai paaugstinoties, lādiņnesēju ģenerēšana kļūst intensīvāka, un palielinās diodes reversās un priekšējās strāvas.

Aptuvenai aplēsei mēs varam pieņemt, ka, paaugstinoties temperatūrai par 10 grādiem, germānija diožu reversā strāva palielinās par 2, bet silīcija - par 2,5 reizēm. Tomēr, ņemot vērā to, ka istabas temperatūrā germānija diodes reversā strāva ir daudz lielāka nekā silīcija, germānija diodes reversās strāvas pieauguma absolūtā vērtība, pieaugot temperatūrai, ir vairākas reizes lielāka. lielāks nekā silīcija. Tas noved pie diodes patērētās jaudas palielināšanās, tās sildīšanas un termiskā sadalījuma sprieguma samazināšanās. Mazās reversās strāvas dēļ silīcija diodēm ir maza termiskā sabrukuma iespējamība, un tās vispirms piedzīvo elektrisku bojājumu.

Silīcija diožu sadalīšanos nosaka lādiņnesēju lavīnas savairošanās procesi kristāla režģa atomu jonizācijas laikā. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās mobilo lādiņnesēju siltuma izkliede un samazinās to brīvā ceļa garums. Lai elektrons īsākā ceļā iegūtu jonizācijai pietiekamu enerģiju, nepieciešams palielināt paātrinājuma lauku, kas tiek panākts ar lielāku pretējo spriegumu. Tas izskaidro silīcija diožu pārrāvuma sprieguma pieaugumu, palielinoties temperatūrai.

Aplūkotie diožu veidi ļauj relatīvi iztaisnot maiņstrāvu ierīcēs zems spriegums(500...700 V). Lai labotu augstāku spriegumu, diodes ir savienotas virknē. Šobrīd tiek ražoti taisngriežu stabi un bloki (otrs apzīmējuma elements ir burts "C"), kas sastāv no īpaši izvēlētām diodēm, kas savstarpēji savienotas un ievietotas kopējā korpusā.

5.2. Darbības princips, raksturlielumiun taisngriežu diožu parametri

Taisngriežu diožu darbības princips ir balstīts uz vienpusējas elektrovadītspējas īpašību r-p pāreja. Ja diodei tiek pielikts maiņspriegums (1.15. att.), tad viena pusperioda laikā, kad uz anoda ir pozitīvs pusvilnis, r-p krustojums tiek pakļauts tiešajam spriegumam. Šajā gadījumā diodes pretestība ir maza; caur to plūst liela līdzstrāva. Nākamajā pusciklā sprieguma polaritāte pāri diodei mainās. Tā pretestība ir ievērojami palielināta; caur to plūst ļoti maza reversā strāva.

slodze iekļauts barošanas ķēdē virknē ar diodi. Praksē strāva caur slodzi iet tikai vienā virzienā, jo pretējo strāvu var neņemt vērā, salīdzinot ar tiešo. Tādējādi notiek taisnošana, t.i., maiņstrāvas pārvēršana līdzstrāvā virzienā (pulsē).

Visvienkāršākā ir vienas diodes taisnošanas ķēde, kurā strāva plūst caur slodzi pusi cikla. Praksē tiek izmantotas sarežģītākas shēmas.

Voltu-ampēru raksturlielumi diode ir strāvas atkarība no pielietotā sprieguma lieluma un polaritātes. Tās formu nosaka strāvas-sprieguma raksturlielums r-p pāreja (skat. 1.11. att.). Faktiskie raksturlielumi atšķiras no ideālajiem dažādu faktoru ietekmes dēļ. Diodes strāvas-sprieguma raksturlielums, kā arī r-p pāreja, ir divas filiāles: tiešā un reversā.

Diodes strāvas-sprieguma raksturlīknes ņemšanas shēma ir parādīta attēlā. 1.16. Noņemot taisnu zaru, ķēdē ir iekļauts miliammetris, lai mērītu tiešās strāvas stiprumu, un voltmetrs, kas ļauj izmērīt volta daļas. Lai iegūtu reverso atzarojumu, ir jāmaina piegādātā sprieguma polaritāte, jāieslēdz mikroampermetrs, kas mēra reverso strāvu, un voltmetrs ar desmitiem un simtiem voltu skalu.

Uz att. 1.17 parāda germānija un silīcija diodes faktiskos strāvas-sprieguma raksturlielumus. Ļoti zemu priekšējo spriegumu reģionā, kamēr nav kompensēta potenciāla barjera, strāva joprojām ir tik maza un pieaug tik lēni, ka raksturojuma ķēdē to nenorāda ar miliammetri un to nevar attēlot grafikā izvēlētajā skalā. uzzīmē taisno zaru. Tāpēc reālais raksturlielums virzienā uz priekšu nesākas no 0, bet pie noteikta sprieguma, ko sauc par slieksni. Sliekšņa spriegums U kopš ir volta desmitdaļas; silīcija diodei tas ir lielāks nekā germānijai; paaugstinoties temperatūrai, sliekšņa spriegums samazinās. Silīcija diožu raksturlielumu tiešās filiāles nobīdes absolūtā vērtība ar temperatūras izmaiņām ir mazāka nekā germānija diodēm.

Silīcija un germānija diožu raksturlielumu reversie atzari ļoti atšķiras no teorētiskajiem raksturlielumiem r-p pāreja vienam no otra. Tas izskaidrojams ar to, ka reversās strāvas lielumu reālos apstākļos nosaka ne tikai termiskā strāva, bet arī noplūdes strāva caur kristālu un citi faktori. Noplūdes strāva ir atkarīga no reversā sprieguma un gandrīz nav atkarīga no temperatūras, savukārt termiskā strāva, gluži pretēji, ir atkarīga tikai no temperatūras. Germānija diodēs apgriezto strāvu galvenokārt nosaka termiskā strāva, tāpēc tā stipri palielinās, palielinoties temperatūrai un maz ir atkarīga no. Pie noteiktas temperatūras / arr strauji palielinās tikai sākotnējā sadaļā no 0; kā minēts, tas ir saistīts ar galveno lādiņnesēju difūzijas strāvas samazināšanos, kas plūda ar priekšējo spriegumu. Silīcija diodēm vērtību / arr nosaka noplūdes strāva, jo termiskā strāva ir daudz mazāka. Tāpēc, tiem palielinoties, / o6p aug vienmērīgi, sākot no nulles.

Paaugstinoties temperatūrai, germānija diodēm krasi samazinās, bet silīcija diodēm tas nedaudz palielinās.

Taisngriežu diožu galvenie parametri ir:

priekšējais spriegums -- nozīme pastāvīgs spriegums uz diodes pie noteiktas tiešās strāvas;

apgrieztā strāva/apgr. - līdzstrāvas vērtība, kas plūst cauri diodi pretējā virzienā pie noteiktā apgrieztā sprieguma;

diodes uz priekšu pretestība

tas ir vienības un desmitiem omi;

diodes apgrieztā pretestība

tas ir megaohm vienības;

diodes diferenciālā pretestība g lif - diodes sprieguma pieauguma attiecība pret mazo strāvas pieaugumu, kas to izraisīja

Uz priekšu un atpakaļ pretestības ir pretestības noteiktā punktā raksturlīknē ar atbilstošā virziena līdzstrāvu; diferenciālā pretestība ir pretestība maiņstrāvai; tas nosaka pieskares slīpumu, kas novilkts dotajā strāvas-sprieguma raksturlīknes punktā pret x asi.

Darbinot diodes taisngriežos, svarīgi ir maksimāli pieļaujamie to lietošanas režīmi, ko raksturo atbilstošie parametri. Lai nodrošinātu ilgstošu un drošu diožu darbību, nekādā gadījumā nedrīkst pārsniegt:

maksimāli pieļaujamo reverso spriegumu, ko nosaka ar rezervi 0,7--0,8 U npo 6 ;

maksimālā pieļaujamā diodes izkliedētā jauda - ;

maksimāli pieļaujamā līdzstrāva;

darba temperatūras diapazons.

Germānija diodes darbojas temperatūras diapazonā no -60 līdz plus 70--80 ° C, silīcija - līdz plus 120--160 ° C; pieļaujamais tiešās strāvas blīvums germānija diodēm 20--40 A/cm 2, silīcijam 60--80 A/cm 2; germānija diodēm ir pieļaujami reversie spriegumi līdz 500-600 V, silīcija - līdz 2000-3500 V; sprieguma kritums germānija diodei līdzstrāvas pārejas laikā ir 0,3-0,6 V, bet silīcija - 0,8-1,2 V.

Salīdzinot germānija un silīcija diožu īpašības, var atzīmēt, ka silīcija diodēm ir par vairākām kārtām mazāka reversā strāva, tās pieļauj daudz lielāku reverso spriegumu un tiešās strāvas blīvumu, kā arī var tikt izmantotas augstākā temperatūrā. Tāpēc taisngriežu diodes galvenokārt ir izgatavotas no silīcija, lai gan sprieguma kritums silīcija diodē ar līdzstrāvu ir lielāks nekā germānijam.

5.3. Taisngriežu diožu klasifikācija pēc jaudas

Taisngriezis ir pusvadītāju diode, kas paredzēta maiņstrāvas pārvēršanai līdzstrāvā. Taisngriežu diožu darbības princips ir balstīts uz p-n pārejas taisngrieža īpašību. Atkarībā no maksimāli pieļaujamās vidējās tiešās strāvas, taisngriežu diodes iedala zemas, vidējas un lielas jaudas diodēs.

Mazjaudas diodes ir paredzētas strāvu iztaisnošanai līdz 300 mA, vidējas un lielas jaudas diodes attiecīgi no 300 mA līdz 10 A un no 10 līdz 1000 A.

Rūpniecība ražo germānija un silīcija diodes. Silīcija diožu priekšrocības: zemas reversās strāvas, iespēja izmantot pie augstākām apkārtējās vides temperatūrām un lieliem reversajiem spriegumiem, lieli pieļaujamie tiešās strāvas blīvumi (60-80 A / cm 2 salīdzinājumā ar 20-40 A / cm 2 germānijai); germānija diožu priekšrocības: zems sprieguma kritums, laižot cauri līdzstrāvai (0,3 - 0,6 V salīdzinājumā ar 0,8 - 1,2 V silīcija diožu).

Diodes, kas paredzētas darbam dažādās taisngriežu ķēdes barošanas avoti, var iztaisnot zemfrekvences strāvas (50 ... 20000 Hz). Šādās diodēs parasti izmanto plakanus p-n savienojumus, ražojot ar sakausējuma vai difūzijas metodi.

Lielākā daļa taisngriežu diožu, kas paredzētas darbībai pārveidošanas ierīcēs elektriskie signāli elektroniskajās iekārtās (detektori, līmeņa ierobežotāji utt.), darbojas frekvencēs līdz vairākiem simtiem megahercu. Pēc ražošanas metodēm, konstrukcijas, raksturlielumiem un parametriem šīs diožu grupas būtiski atšķiras no zemfrekvences taisngriežu diodēm un tiek sauktas par augstfrekvences taisngriežu diodēm.

Zemfrekvences mazjaudas taisngriežu diožu atskaites parametrs ir pieļaujamā taisngriežu strāva (pieļaujamā vidējā tiešā strāva), kas noteiktā temperatūras diapazonā nosaka pieļaujamo vidējo vērtību ilgtermiņa sinusoidālās priekšējās strāvas impulsu periodam, kas plūst cauri. diode ar pauzēm 180? (puscikls) un frekvence f = 50 Hz, apzīmēta . Vēl viens galvenais parametrs ir maksimāli pieļaujamais reversais spriegums - pretējā virzienā pielietotais spriegums. Diode var izturēt šo spriegumu ilgu laiku, netraucējot tā veiktspēju. Mazjaudas taisngriežu diožu maksimālais apgrieztais spriegums svārstās no desmitiem voltu līdz 1200 V. augsti spriegumi nozare ražo taisngriežu stabus, izmantojot diožu sērijveida savienojumu. Reversās strāvas nepārsniedz 300 µA germānija diodēm un 10 µA silīcija diodēm. Zemfrekvences mazjaudas taisngriežu diožu konstrukcija ir parādīta att. 4.3, bet uz leģēta germānija diodes piemēra un tās strāvas-sprieguma raksturlielums - att. 4.3, b.

Strukturāli taisngrieža diode ir izgatavota metāla noslēgtā metinātā korpusā. Lai uzlabotu siltuma izkliedi, kristāls 7 tiek pielodēts tieši pie kristāla turētāja 8, kam, būdams pamatlaukums, ir ārējais izvads 9. Šo termināli sauc par katodu. Korpusa vāks ir piemetināts pie kristāla turētāja pamatnes 4 ar stikla izolatoru 3, caur kuru iziet caurule 2 ar ārēju izeju no emitētāja /. Izstarotāja spaili sauc par anodu. Iekšējā anoda vads 5 savienots ar emitētāja slāni, ko iegūst, kausējot indija granulas 6 organismā germānija. Uz att. 4.3, iekšā nosacīti grafiskais apzīmējums diode. Vidējas jaudas taisngriežu diodēs liela tiešā strāva tiek panākta, palielinot kristāla izmēru, jo īpaši darba zonu. r-p pāreja. Vidējas jaudas diodes galvenokārt ražo silīcijs. Šajā sakarā šo diožu reversā strāva ar salīdzinoši lielu laukumu r-p pāreja ir pietiekami maza (vairāki desmiti mikroampēru). Siltumu, kas kristālā izdalās no līdzstrāvas plūsmas vidējas jaudas diodēs, ierīces korpuss vairs nevar izkliedēt. Lai uzlabotu siltuma izkliedes apstākļus šajās diodēs, tiek izmantoti papildu dzesētāji-radiatori. Radiatori ir izgatavoti no metāla, kam ir laba siltumvadītspēja (parasti alumīnija sakausējumi) un lielāks virsmas laukums labākai siltuma pārnesei vide. Lai samazinātu mehānisko spriegumu, kas rodas no sildīšanas un dzesēšanas diodes darbības laikā, korpusa un caurules materiāls ir izgatavots no kovara sakausējuma (29 % Ni, 18% Co un 53% Fe), kurā lineārās izplešanās koeficients ir saskaņots ar stiklu. Lai uzlabotu izstarojuma koeficientu, radiatori bieži tiek melnēti. Lai uzstādītu radiatoru, diodes korpusā ir vītņots stienis. Vidējās jaudas taisngriežu diožu iespējamās konstrukcijas piemērs ir parādīts attēlā. 4.4.

Jaudīgas (jaudas) diodes atšķiras pēc frekvences īpašībām un darbojas frekvencēs no desmitiem hercu līdz desmitiem kilohercu. Lieljaudas diodes galvenokārt ir izgatavotas no silīcija. Ar difūzijas metodi radītā silīcija vafele ir disks ar diametru 10–100 mm un biezumu 0,3–0,6 mm. Lieljaudas diodes iespējamās konstrukcijas piemērs ir parādīts attēlā. 4.5.

Darbība ar lielu strāvu un augstu apgriezto spriegumu ir saistīta ar ievērojamas jaudas atbrīvošanu r-p pāreja. Tāpēc instalācijās ar jaudīgas diodes tiek izmantota gaisa un šķidruma dzesēšana. Ar gaisa dzesēšanu siltums tiek noņemts, izmantojot radiatoru un gaisa plūsmu, kas iet gar tā siltuma noņemšanas ribām. Šajā gadījumā dzesēšana var būt dabiska, ja siltuma aizvadīšana vidē tiek noteikta pēc dabiskā gaisa konvencijas, vai piespiedu, ja tiek izmantota ierīces korpusa un tā radiatora piespiedu gaisa plūsma ar ventilatoru.

4.4. att. Vidējas jaudas silīcija taisngrieža diodes dizains: 1 - ārējais terminālis (anods), 2 - caurule, 3 - stikla izolators 4 - korpuss, 5 - anoda iekšējā spaile, 6 - alumīnijs 7 - silīcija kristāls, 8 - siltuma izlietne. bāze, 9 - kristāla turētājs, 10 - ārējā izeja (katods).

4.5. attēls. Jaudīgs silīcija taisngrieža diodes dizains. 1 - ārējā elastīgā spaile (anods), 2 - stikls, 3 - stikla izolators, 4 - anoda iekšējais elastīgais spailes, 5 - korpuss, 6 - krūze, 7 - silīcija kristāls, 8 - kristāla turētājs (katods), 9 - tapa stiprināšanai pie radiatora.

Ar šķidruma dzesēšanu radiatorā caur īpašiem kanāliem tiek ievadīts siltumu atdalošs šķidrums, piemēram, ūdens, antifrīzs, transformatora eļļa, sintētiskie dielektriskie šķidrumi. IN Nesen ir plaši izmantota iztvaikošanas dzesēšana, kuras pamatā ir siltuma noņemšana, jo uz dzesētāja siltumu noņemošās virsmas veidojas tvaika burbuļi. Iegūtais tvaiks nonāk siltummainī, kas saistīts ar ārējo vidi. Šī metode ir efektīva šķidrumu iztvaikošanas siltuma augsto vērtību dēļ. Strāvas diodes ir jāaizsargā no īslaicīgiem pārspriegumiem, kas rodas pēkšņas slodzes atlaišanas, pārslēgšanas un avārijas režīmos, kā arī atmosfēras ietekmes un zibens ietekmē. Šajā gadījumā diodei pretējā virzienā tiek pielikts papildu sprieguma impulss, kas vispirms var izraisīt elektrisku un pēc tam termisku bojājumu. Lai novērstu termisko sabrukumu, pēc kura pāreja zaudē savu taisngrieža īpašības, nepieciešams ierobežot pārsprieguma impulsa darbību laikā. Šis uzdevums jāveic dažādām avārijas automātikas ierīcēm.

Ļoti bieži nepieciešamā pieļaujamā taisngriežu strāva un maksimālais reversais spriegums pārsniedz esošo taisngriežu diožu nominālos rādītājus. Šajos gadījumos problēma tiek atrisināta, attiecīgi paralēli un sērijveidā pieslēdzot diodes.

Taisngriežu diožu sērijveida pieslēgšana tiek veikta, ja ir nepieciešams palielināt kopējo pieļaujamo reverso spriegumu, kas tiek pielikts katrai no tām.

Taisngriežu diožu reversajām pretestībām ir liela izkliede (atšķirības sasniedz pat vienu vai divas kārtas), tāpēc virknē pieslēgto diožu ķēdei pieliktais reversais spriegums tiks sadalīts nevienmērīgi, bet proporcionāli to pretestībām. Lielākais sprieguma kritums būs diodei ar lielu pretestību. Tas var izraisīt elektrisku un pēc tam termisku bojājumu. r-pšīs diodes pāreja; pēc tam apgrieztais spriegums tiek sadalīts starp atlikušajām diodēm. Tiks sabojāta nākamā diode, kurai ir vislielākā reversā savienojuma pretestība starp atlikušajām diodēm. Un tā pa vienai diodes neizdosies. Lai tas nenotiktu, jums vajadzētu izlīdzināt reversās sprieguma kritumus uz sērijas ķēdes diodēm, manevrējot tās ar tādas pašas pretestības rezistoriem. Šunta rezistora pretestība ir izvēlēta liela, lai novērstu lielus jaudas zudumus. Uz att. 4.6 ir parādīta virknē savienotu diožu pusviļņu taisngrieža ķēde, kurai paralēli ir pievienoti identiski šunta rezistori. Rezistoru pretestība kur ir taisngrieža slodzes pretestība. Ar šo savienojumu viss Pšunta rezistori, reverso spriegumu sadalījums uz diodēm būs vienāds: , kur ir reversais spriegums taisngrieža ieejā.

Taisngrieža diožu paralēlais savienojums tiek veikts, lai palielinātu taisngrieža strāvas pieļaujamās vērtības. Tā kā tehnoloģisko noviržu dēļ pastāv ievērojama tiešo savienojumu pretestību vērtību izkliede, tad, ievietojot vienu balasta rezistoru katrā no paralēlajām atzarēm , ir iespējams izlīdzināt līdzstrāvas paralēlos zaros, un nosacījums ir jāievēro.

Uz att. 4.7 parāda pusviļņu taisngrieža diagrammu ar paralēli savienotām diodēm. Jo lielākas ir rezistoru vērtības R 6 , jo mazākas ir atšķirības starp priekšējām strāvām paralēlās ķēdēs. Tomēr pārmērīgs balasta rezistoru vērtību pieaugums izraisa sprieguma krituma palielināšanos taisngrieža iekšpusē, kas samazina spriegumu pie taisngrieža izejas un samazina tā efektivitāti.

Līdzīgi dokumenti

    Pusvadītāju diožu, tiristoru un tranzistoru, taisngriežu diožu parametri, īpašības, raksturlielumi. Operacionālais pastiprinātājs, impulsu ierīces. Pilnīgas loģisko funkciju sistēmas ieviešana, izmantojot universālās loģiskās shēmas.

    tests, pievienots 25.07.2013

    Pusvadītāju diodes jēdziens. Diožu voltu-ampēru raksturlielumi. Ķēdes aprēķins mērierīce. Izmantoto diožu parametri. Pusvadītāju diožu pamatparametri, ierīce un konstrukcija. Ierīces sakausējums un punktveida diodes.

    kursa darbs, pievienots 05.04.2011

    Diožu klasifikācija atkarībā no ražošanas tehnoloģijas: plakana, punktveida, mikrosakausējums, mezadifūzija, epitaksiāli-planāra. Diožu veidi atbilstoši to funkcionālajam mērķim. Pamatparametri, komutācijas ķēdes un strāvas-sprieguma raksturlielumi.

    kursa darbs, pievienots 22.01.2015

    Diožu kā elektrovakuuma (pusvadītāju) ierīču jēdziens. Diodes ierīce, tās galvenās īpašības. Diožu klasifikācijas kritēriji un to raksturlielumi. Atbilstība pareizai polaritātei, pievienojot diode elektriskajai ķēdei. Diodes marķēšana.

    prezentācija, pievienota 05.10.2015

    Diožu strāvas-sprieguma raksturlielumu izpēte, raksturojums pie dažādām sprieguma vērtībām. Diožu strāvas-sprieguma raksturlielumu grafiku tuvināšana, pirmās un otrās pakāpes funkcijas, eksponents. Programmas pirmkods un iegūtie dati.

    laboratorijas darbs, pievienots 24.07.2012

    Rektificētā tīkla sprieguma maksimālo un minimālo vērtību noteikšana, pārveidotāja darbības diagrammas. Taisngriežu diožu, transformatoru, tranzistoru, taisngriežu un vadības bloku elementu izvēle. Amortizācijas ķēdes un efektivitātes aprēķins.

    kursa darbs, pievienots 18.02.2010

    Transformatora un integrētā sprieguma stabilizatora parametru aprēķins. principiāls ķēdes shēma enerģijas padeve. Nekontrolējamā taisngrieža un izlīdzinošā filtra parametru aprēķins. Taisngriežu diožu izvēle, magnētisko serdeņu izmēru izvēle.

    kursa darbs, pievienots 14.12.2013

    Veidojiet shēmas ar diodi no SimElectronics bibliotēkas un elektriskā diode no Simscape bibliotēkas un strāvas un sprieguma diagrammas. Diožu strāvas-sprieguma raksturlielumu grafiku tuvināšana ar dažādām metodēm 2 dažādās temperatūrās.

    tests, pievienots 08.07.2012

    Vispārīga informācija par optiskā starojuma mērīšanas avotiem, to vājināšanās izpēti. Pamatprasības priekš tehniskās specifikācijas optiskie jaudas mērītāji. Lāzerdiožu darbības princips un konstrukcija, to salīdzinošā analīze.

    diplomdarbs, pievienots 01.09.2014

    Pusvadītāju ierīču jēdziens, to strāvas-sprieguma raksturlielumi. Tranzistoru, zenera diožu, gaismas diožu apraksts. Uzņēmumu tipoloģijas apsvēršana. Pētījums par drošības pasākumiem darbā ar elektroniskām iekārtām, pasākumi aizsardzībai pret troksni.

Tiek izsaukta ierīce ar vienu p-n pāreju un diviem vadiem, kas ļauj to iekļaut ārējā elektriskā ķēdē. Šajā materiālā tiks aprakstīts darbības princips un šajā ierīcē notiekošā procesa fizika.

Teorētiskā daļa

Pusvadītāju diožu darbība balstās uz p-n savienojuma īpašībām, kas veidojas saskarnē starp pusvadītāju apgabaliem ar caurumu (p) un elektronisko vadītspēju (n). Elektronu koncentrācija n-apgabalā ir daudz augstāka nekā p-apgabalā, un p-apgabalā ir vairāk caurumu nekā n-apgabalā. Nevienlīdzīgais daļiņu blīvums izraisa galveno nesēju difūziju no reģioniem ar lielāku koncentrāciju: elektronu no n - apgabala un caurumu no p - apgabala. Rekombinācijas rezultātā uz p - un n - reģionu robežas parādās slānis, kurā ir noplicināts nesējs, ko sauc par bloķējošo slāni (1. att., a). Donoru un akceptoru piemaisījumu joni barjeras slāņa reģionā rada elektrisko lauku ar stiprumu En, kas novērš vairākuma nesēju tālāku difūziju un rada dreifa strāvu mazākuma nesēju dēļ.

1. attēls. Pusvadītāju diode

Savienojot emf avotu. uz n-p pāreju atkarībā no avota stipruma vektora virziena bloķējošā slāņa platums var:

  • samazināt- avota un barjeras slāņa intensitātes vektori ir pretēji, kas izraisa difūzās strāvas palielināšanos;
  • Palielināt- avota un barjeras slāņa intensitātes vektori ir vērsti vienā virzienā, kas noved pie difūzijas strāvu samazināšanās līdz gandrīz nullei un dreifējošās strāvas palielināšanās.

Sarakstā īpašības p-n savienojumus izmanto pusvadītāju diodēs. Pusvadītāju diodēm ir asimetriskas elektronu caurumu pārejas. Viens pusvadītāja apgabals ar augstāku piemaisījumu koncentrāciju (augsti leģēts apgabals) kalpo kā emitētājs, bet otrs ar zemāku piemaisījumu koncentrāciju (zems leģēts apgabals) kalpo par bāzi.

Tapa, kas savieno emitētāju ar ārējo elektriskā ķēde, sauc par katodu, un izeju, kas ir savienota ar pamatni, sauc par anodu (1. att., b).

Taisngriežu diodes ir paredzētas, lai pārveidotu maiņstrāvu viena virziena strāvā. Pusvadītāju diodes volt-ampēra raksturlielums (CVC) ir parādīts att. 2.


2. attēls. Pusvadītāju diodes IV raksturlielums

Volta-ampēra raksturlielumam ir tiešā (“1” 2. att.) un reversā (“2” 2. att.) atzars. Kad diode ir ieslēgta virzienā uz priekšu (I–V raksturlīknes tiešais atzars), ārējā avota Eist intensitātes vektors ir vērsts pretī diodes pn savienojuma intensitātes vektoram, avota pozitīvajam polam. ir savienots ar diodes anodu, bet negatīvais pols - ar diodes katodu. Šajā gadījumā kopējais spriedzes vektors samazinās. Tas noved pie potenciālās barjeras samazināšanās p-n krustojumā.

Šajā režīmā daļa no galvenajiem lādiņnesējiem ar visaugstākajām enerģijas vērtībām pārvarēs pazemināto potenciāla barjeru un šķērsos p-n krustojumu. Pārejā tiks izjaukts līdzsvara stāvoklis, un caur to plūdīs difūzijas strāva, ko izraisa elektronu ievadīšana no n-apgabala pusvadītājā un caurumi no p-apgabala n-pusvadītājā.

Spriegumu Upor, no kura nelieli tiešā sprieguma pieaugumi izraisa strauju strāvas pieaugumu, sauc par sliekšņa spriegumu.

Kad diode tiek ieslēgta pretējā virzienā (I–V raksturlīknes apgrieztais atzars), ārējā avota stipruma vektora Est virziens sakrīt ar pārejas lauka intensitātes vektoru: avota negatīvais pols ir savienots ar diodi. katodu, un avota pozitīvais pols ir savienots ar diodes anodu. Šāda diodes iekļaušana noved pie diodes pn savienojuma potenciālās barjeras palielināšanās, un strāvu caur krustojumu noteiks mazākuma lādiņu nesēji: elektroni no p-apgabala uz n-apgabalu un caurumi no n. -reģions uz p-reģionu. Šo procesu sauc par mazākuma nesēju ekstrakciju, un strāvu, kas plūst caur diodi, sauc par apgriezto strāvu Iabr.

Ar turpmāku diodei pieliktā reversā sprieguma palielināšanos pie noteiktas vērtības Urev1 tajā notiks straujš pretējās strāvas pieaugums - 2. attēla sadaļa "3". Šo parādību sauc par sadalījumu. Atšķirt elektriskā un termiskā sadalījuma p-n krustojumu. Lavīnas pārrāvums ir krustojuma elektrisks pārrāvums, ko izraisa lādiņu nesēju lavīna savairošanās spēcīga elektriskā lauka iedarbībā. Elektroni, paātrinoties barjeras slāņa laukā, izsit no pusvadītāja atomiem valences elektronus, kuriem savukārt ir laiks paātrināties un izsist jaunus elektronus utt. Process attīstās kā lavīna, un to pavada strauja reversās strāvas palielināšanās.

Termiskais sabrukums rodas p-n krustojuma vai tā atsevišķās sadaļas pārkaršanas dēļ (2. att. sadaļa "4"). Šajā gadījumā notiek intensīva elektronu-caurumu pāru ģenerēšana un palielinās reversā strāva, kas izraisa p-n krustojumā atbrīvotās jaudas palielināšanos un tā tālāku sildīšanu. Arī šis process ir lavīnām līdzīgs, kas beidzas ar pārkarsētās krustojuma daļas kušanu un diodes atteici.

Atkarībā no taisngrieža p-n krustojuma lineāro izmēru attiecības pusvadītāju diodes ir sadalītas divās klasēs: punktveida un plaknes. Punktu diodēm ir zemas kapacitātes p-n pāreja, un tās izmanto, lai iztaisnotu jebkuras frekvences maiņstrāvu līdz pat mikroviļņu krāsnij. Plakanajās diodēs p-n savienojuma kapacitāte ir vairāki desmiti pF.

Praktiskā daļa

Laboratorijas darbs ir veltīts pusvadītāju taisngriežu diodes izpētei. Izpētītā diode FR302 ir nostiprināta uz stiklašķiedras plātnes kopā ar strāvu ierobežojošo rezistoru MLT-2 43 Ohm. Rezistors ir paredzēts, lai ierobežotu strāvu, noņemot raksturlieluma tiešo atzaru, jo ar atvērtu p-n savienojumu diodes pretestība ir zema.


Diodes vadītspēju pārbauda, ​​izmantojot miliammetru (mikroametru) un voltmetru, atbilstoši rādījumiem, kurus izmanto, lai attēlotu diodes strāvas-sprieguma raksturlielumu (CVC).


3. attēls. Elektriskie ķēdes shēma diodes raksturlīknes I–V tiešā atzara noņemšana

Iekārta tiek darbināta ar regulētu barošanas bloku, kas nodrošina D.C. spriegums no 0 līdz 12 V (stabilizēta izeja) un līdzstrāvas spriegums no 0 līdz 36 V (neregulēta izeja).


Lai noņemtu raksturlieluma tiešo atzaru, tiek izmantots miliammetrs un milivoltmetrs, jo atvērtā stāvoklī sprieguma kritums pāri diodei ir aptuveni 1 V, un strāva caur to sasniedz 200 mA.


4. attēls. Elektriskās shēmas shēma diodes I–V raksturlīknes apgrieztā atzara noņemšanai

Lai noņemtu diodes CVC reverso atzaru, diodes reversais spriegums tiek pazemināts līdz 36 V. Pie šāda sprieguma diodes FR302 reversā strāva paliek maza (daži līdz desmitiem mikroampēru), tāpēc jāmēra. tajā ķēdē ir iekļauts mikroampermetrs, nevis miliammetrs. Ir ļoti nevēlami stipri palielināt diodes reverso strāvu, jo tas var izraisīt tā atteici. Turklāt spriegumi virs 42 V ir bīstami, un tos nevajadzētu izmantot.







Mācībām nodrošinātais materiāls - Deņevs.

Apspriediet rakstu PUSVADĪTĀJU TAISNNOŠANAS DIODES

Pusvadītāju diodes

Diodes darbības princips ir balstīts uz p-n savienojumu īpašībām, kas veidojas pusvadītāju ar dažāda veida vadītspēja vai pusvadītāja kontakts ar metālu (Šotkija diode).

Diožu klasifikācija:

1. Taisngriezis

2. Zenera diodes

3. Tunelis

4. Pārvērš

5. Varicaps

6. Fotodiodes

7. Gaismas diodes

8. Šotkija diodes

Ir sadalīti:

Punkts

plakana

Plaknes diodēm ir lielāka krustojuma kapacitāte ekvivalentajā ķēdē.

Tā kā kapacitātes pretestība ir apgriezti proporcionāla sprieguma frekvencei saskaņā ar formulu

,

tad augstās frekvencēs pretestība nokrīt gandrīz līdz nullei, t.i. savienojums ir īssavienojums, un tāpēc p-n savienojums nedarbojas šajās frekvencēs.

Ja diodei tiek pieslēgts tiešs spriegums (“+” anodam, “-” katodam) līdz gandrīz 0,3 V, strāva caur diodi neplūst. Šis spriegums bija nepieciešams, lai pārvarētu kontakta pārejas potenciālo barjeru. Ar turpmāku sprieguma pieaugumu strāvai ir kvadrātiskā atkarība.

Turpmāks sprieguma pieaugums var izraisīt tādu strāvas pieaugumu, kas pārsniegs maksimāli pieļaujamo vērtību, un katoda apgabala temperatūra, kur notiek elektronu un caurumu rekombinācija, var pārsniegt maksimāli pieļaujamo vērtību. Šajā gadījumā notiek neatgriezenisks p-n savienojuma termiskās sabrukšanas process.

Kad tiek pielietots apgrieztais spriegums, p-n savienojuma platums palielinās, tādējādi ierobežojot ievadīto elektronu skaitu no n- uz p-apgabalu. Sasniedzot U OL notiek elektriskās strāvas pārrāvums (process ir atgriezenisks). Ar turpmāku sprieguma pieaugumu elektriskais sabrukums pārvēršas termiskā (neatgriezeniskā procesā).


Zenera diodes

Darbības princips ir balstīts uz atgriezenisku elektrisko bojājumu.

Kad tiek sasniegts reversais spriegums U OBR \u003d U ST notiek p-n krustojuma elektrisks sadalījums, kā rezultātā strāva caur Zenera diodi Es C strauji palielinās. Rezultātā sprieguma kritums pāri R B palielinās, un pie slodzes R H paliek nemainīgs.

D814 sērijas Zener diodēm ir stabilizācijas spriegums no 3 līdz 20 V.


3. LEKCIJA

tuneļa diode

Darbības princips ir balstīts uz tā sauktā tuneļa efekta pielietošanu.

Izmanto ātras komutācijas ķēdēs un ģeneratoros. Tam ir negatīva diferenciālā pretestība noteiktā strāvas sprieguma raksturlīknes sadaļā.

Saskaņā ar Oma likumu. Ja spriegums palielinās, tad jebkura materiāla strāvai ir jāpalielinās. Bet, kad rodas tuneļa efekts, spriegumam palielinoties no U min līdz U max, strāva samazinās.

Diferenciālajai pretestībai zonā, kurā izpaužas tuneļa efekts, ir negatīva vērtība, un attiecībai starp maksimālo un minimālo strāvu

Lai iegūtu sinusoidālo svārstību ģenerēšanu, ķēdē ir iekļauta tuneļa diode. Rezultātā ķēdē aktīvo pretestību algebriskā summa ir 0. Līdz ar to ķēdē rodas neslāpētas svārstības. Negatīvā diferenciālā pretestība tiek iegūta, pateicoties elektronu tunelēšanas ietekmei no n-apgabala uz p-apgabalu pretēji galvenā elektriskā lauka virzienam. tuneļa diode. Tā rezultātā kopējais elektronu skaits, kas izgājuši cauri p-n savienojuma šķērsgriezumam laika vienībā, samazinās, palielinoties ārējam spriegumam.


apgrieztās diodes

Reversās diodes izmanto mazu spriegumu iztaisnošanai, t.i. reversais CVC it ​​kā ir tiešs taisngrieža diodei. Reversā diode pie zema sprieguma (līdz 0,3 V) nelaiž strāvu uz priekšu, savukārt pretējā virzienā elektriskais pārrāvums notiek jau pie nulles reversā sprieguma.


Varicap

Varikaps ir elektriski kontrolēta kapacitāte.

Jauda, ​​kā zināms no fizikas kursa, ir atkarība

Jo p-n-pārejas d platums ir atkarīgs no pielietotā apgrieztā sprieguma U arr, tad pie nemainīgas absolūtās, relatīvās materiāla caurlaidības un p-n-pārejas laukuma varikapa kapacitāte ir atkarīga tikai no d.

U arr ietekmē tiek regulēts attālums starp p un n reģioniem. Mēs iegūstam atkarību: palielinoties reversajam spriegumam, novilkšanas kapacitāte samazinās.

Kā varikaps ir nepieciešams izmantot plakanās diodes, lai palielinātu kapacitāti. Varikapus izmanto kā regulējošus, elektriski vadāmus kondensatorus svārstību ķēdēs. To ietilpība ir desmitiem pikofaradu (pF). Varicaps tiek izmantoti, lai automātiski pielāgotu svārstību frekvenci, lai saglabātu to norādītajās robežās.


Fotodiode

Fotodiode ir pusvadītāju ierīce, kurā reversā strāva ir atkarīga no katoda apgaismojuma. VAC - attēlā. Strāvas atkarība no apgaismojuma daudzuma ir līdzīga strāvas atkarībai no pielietotā sprieguma parastajai diodei (taisngriežam), t.i. elektrisko un magnētisko lauku iedarbībai ir līdzīga ietekme.


Gaismas diode

Gaismas diode ir pusvadītāju ierīce, kad caur to plūst līdzstrāva, katoda apgabals sāk spīdēt.

Kad primārā strāva I plūst caur p-n savienojumu, elektronu skaits atoma ārējā orbītā samazinās, pateicoties to pārejai uz iekšējām orbītām. To pavada elektromagnētiskā starojuma kvantu izdalīšanās. Izvēloties atbilstošu pusvadītāju materiālu, mēs varam izolēt starojumu ar noteiktu viļņa garumu. Praksē ir gaismas diodes, kas izstaro apgabalos, sākot no ultravioletā (l<0,4 мкм) и кончая ближней инфракрасной (ИК) – с l до 2 мкм.

Uztverot starojumu pusvadītāju lāzeros, šo efektu arī izmanto, taču lāzera starojums ir koherents un vienkrāsains.


Diode Šotki

Izmanto kontakta parādības starp pusvadītāju un metālu. Šotkija efekts rodas tikai tad, ja elektronu darba funkcija vakuumā no metāla ir lielāka nekā elektrona darba funkcija no pusvadītāja.

Pusvadītājam saskaroties ar metālu, elektronu izejas enerģijas atšķirības dēļ no pusvadītāja tie izkliedējas metāla apgabalā, tādējādi izveidojot p-n savienojumu. Tā kā metālā nav nelielu lādiņu nesēju (caurumu), pāreja no atvērtā uz slēgto stāvokli ir praktiski bez inerces (pārejas laiks ir 1¸2 ns).