2. Исследование характеристик полупроводниковых вентилей

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо выполнить исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) следующих неуправляемых полупроводниковых вентилей:

-выпрямительных диодов;

-диодов Шоттки;

- стабилитронов;

-светодиодов.

Лабораторная работа №1. Исследование характеристик неуправляемых полупроводниковых вентилей

Цель работы. Изучение характеристик и параметров выпрямительных диодов, диодов Шоттки, стабилитронов и светодиодов. Ознакомление с применением выпрямительных диодов в неуправляемых выпрямителях, стабилитронов в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения, светодиодов в индикаторах.

Основные параметры и характеристики диодов

Диод – неуправляемый полупроводниковый прибор, имеющий один p-n переход и обладающий односторонней проводимостью. Условное обозначение обычного выпрямительного диода приведено на рис. 2.1, а. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» – на аноде, «–» на катоде). Вольт–амперная характеристика (ВАХ) диода приведена на рис. 2.1, б. При протекании тока в прямом направлении на диоде образуется падение напряжения ∆U_в.пр. При приложении отрицательного напряжения через диод протекает ток в обратном направлении и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при отрицательном напряжения, превышающем величину напряжения пробоя U_пр.

Параметры, характеризующие работу диода:

– среднее значение прямого тока, протекающего через диод в прямом направлении, I_в.ср, обеспечивающее допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения;

– максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии, U_{обр max};

– падение напряжения в прямом направлении ∆U_в.пр – это среднее значение падения напряжения при номинальном токе диода I_{в N};

– пороговое напряжение (напряжение отсечки) U₀, определяемое точкой пересечения линейной части прямой ВАХ с осью напряжения (рис.2.1, б)

– дифференциальное сопротивление r_{в. д}, которое выражает наклон прямой ветви ВАХ диода в ее линейной части и определяется отношением приращения напряжения прямой ветви ВАХ (∆U_в) к приращению тока (∆I_а), вызвавшему это приращение напряжения: r_{в. д}=∆U_в./∆I_а (рис. 2.1, б).

Падение напряжения в прямом направлении определяется суммой порогового напряжения U₀ и падения напряжения на дифференциальном сопротивлении диода ∆U_в= I_в.ср r_{в. д}:

∆U_в.пр=U₀+∆U_в=U₀+I_в.срr_в.д.

Рис.2.1.Условное обозначение (а) и ВАХ выпрямительного диода (б)

Стабилитрон – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании явления лавинного пробоя, обеспечивает постоянное напряжение (напряжение стабилизации) независимо от проходящего через него тока. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис.2.2, а, а его ВАХ – на рис.2.2, б.

Прямая ветвь ВАХ стабилитрона идентична прямой ветви диода. Отличие заключается в обратной ветви ВАХ. Рабочий участок ВАХ стабилитрона находится на обратной ветви ВАХ, где большому изменению тока стабилизации ΔI_ст соответствует малое изменение напряжения стабилизации ΔU_ст (рис.2.2, б, участок а–б).

Основные параметры, характеризующие работу стабилитрона:

– напряжение стабилизации U_ст при заданном токе стабилизации I_ст;

– постоянное прямое напряжение при прохождении прямого тока ΔU_{в. пр};

– минимальный I_{ст min} и максимальный I_{ст max} токи стабилизации;

– температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) α_ст – определяется отношением относительного изменения напряжения стабилизации (ΔU_ст/U_ст) к абсолютному изменению температуры окружающей (ΔТ) среды при постоянном токе стабилизации, α_ст=ΔU_ст/( ΔТU_ст)100%;

– дифференциальное сопротивление r_в.д– отношение приращения напряжения стабилизации (ΔU_ст) к вызвавшему его приращению тока (ΔI_ст), r_в.д=ΔU_ст/ΔI_ст;

– максимальная допустимая мощность рассеяния стабилитрона Р_max – это мощность потерь стабилитрона, обеспечивающая заданную надежность работы стабилитрона, Р_max=U_стI_{ст max}.

Рис.2.2. Условное обозначение (а) и ВАХ стабилитрона (б)

Диод Шоттки – полупроводниковый прибор, в котором используется переход металл-полупроводник. Условное обозначение диода Шоттки приведено на рис.2.3, а. В этих диодах более предпочтительно применение полупроводника n-типа из-за более высокой подвижности электронов по сравнению с подвижностью дырок. ВАХ диода Шоттки приведена на рис. 2.3, б.

Основные достоинства диодов Шоттки по сравнению с выпрямительными диодами:

– прямое падение напряжения (ΔU_{в. пр}) при той же самой плотности тока на несколько десятых вольта меньше;

– поскольку ток в диоде Шоттки проходит благодаря только механизму дрейфа, отсутствует необходимость накапливать и устранять избыточные носители, следовательно, исключается явление возрастания прямого падения напряжения на диоде при его включении (прямого восстановления) и появления большого обратного тока при его выключении (обратного восстановления).

Рис.2.3. Условное обозначение (а) и ВАХ диода Шоттки (б)

По сравнению с обычным выпрямительным диодом недостатком диода Шоттки является относительно большой обратный ток I_обр.

Основные параметры диода Шоттки:

– пороговое напряжение U₀,

– дифференциальное сопротивление r_в.д;

– обратный ток I_ут;

– прямое падение напряжение ΔU_{в. пр} при максимальном анодном токе I_{а max} .

Светодиод – полупроводниковый прибор с одним р–n переходом, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфрокрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии, которая отдается кристаллической решетке, т. е. превращается в теплоту. В светодиодах при рекомбинации происходит излучение света. Условное обозначение светодиода приведено на рис.2.4, а. ВАХ светодиода аналогична ВАХ обычного диода.

Рис.2.4. Условное обозначение (а) и схема включения светодиода (б)

Светодиод нуждается в источнике питания с большим внутренним сопротивлением, поэтому последовательно с источником питания необходимо включать балластный резистор R_б (рис.2.4, б). В результате этого ток, проходящий через светодиод меньше зависит от величины напряжения питания.

К основным характеристикам светодиода относятся:

– мощность излучения Р_изл;

– длина волны излучения света λ;

– коэффициент полезного действия (КПД) η.

КПД светодиода определяется отношением мощности излучения к электрической мощности, подводимой к диоду, и лежит в пределах 0,1–1%.

В лабораторной работе необходимо снять только прямую ветвь ВАХ светодиода.