Полупроводниковые диоды

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО РАЗЕЛУ «ЭЛЕКТРОНИКА»

Работа № 3-1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1.  Цель работы

Ознакомиться с принципом действия, основными характеристиками и применением полупроводникового выпрямительного диода, стабилитрона и светоизлучающего диода.

2.  Описание лабораторного модуля

В лабораторной работе изучаются характеристики полупроводникового диода КД105Б, стабилитрона типа КС156А и светоизлучающего диода

типа АЛ307А. Их основные параметры приведены в таблицах 1…3.

Таблица 1. Характеристики диода 2Д105Б

Таблица 2. Характеристики стабилитрона КС156А

Обозначение стабилитрона

в электрических схемах

Таблица 3. Характеристики светодиода АЛ307А

Передняя панель лабораторного модуля представлена на рис.1. На ней изображена мнемосхема исследуемых цепей, на которой установлены гнезда для подключения измерительных приборов и соединительных проводников. Выпрямительный диод вставляется в гнезда, обозначенные (*) с наружи панели, а стабилитрон и светодиод расположены за панелью и подсоединяются в схему проводниками, вставляемыми в соответствующие гнезда. Сопротивления резисторов RP1 равно 100 Ом, RД -240 Ом, Rн – 4,7 кОм.

Рисунок 1. Мнемосхема исследования диодов

3.  Теоретические положения. Принцип действия. Характеристики.

3.1.  Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

Схематично диод можно представить состоящим из двух соприкасающихся друг с другом разных полупроводников (областей). Одна область обладает проводимостью p-типа (дырочной проводимостью), а другая – проводимостью n-типа (электронной проводимостью). Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах: positive — «положительный» и negative — «отрицательный». Область p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода. На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов переноса зарядов через p-n переход.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 2. Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого и кремниевого диодов. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: силовой диод может пропустить прямой ток тысячи ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков миллиампер, а обратное максимальное напряжение может быть от десятков вольт до 5000 В.

Рисунок 2. ВАХ диода

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, — к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения от нуля прямого напряжения Uпр, начинает возрастать и прямой ток Iпр. Но пока это возрастание незначительно, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения UД на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Диод открывается. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,3…1.1 В. При максимальном прямом токе Iпр. мах диода

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4 В), чем для кремниевого (0,7…1,1 В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде Pд. пр =Uпр*Iпр. мах. Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Поэтому в справочниках ограничивается максимальный прямой ток, а не мощность так как считается, что прямое напряжение известно и изменяется незначительно. Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы — радиаторы. Существенно уменьшить такие потери можно, если снизить прямое падение напряжения Uпр на диоде. Вместо p-n перехода в них используется переход металл – полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4 В, что значительно снижает мощность PД, а соответственно и нагрев диода. Такие диоды получили название диодов Шоттки. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

В третьем квадранте системы координат расположена обратная ветвь характеристики, когда диод находится в обратном включении, — к аноду подключен отрицательный вывод источника тока, соответственно положительный вывод к катоду. Как видно из характеристики, при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает небольшой обратный ток. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до десятков миллиампер.

Вместе с обратным током на диоде выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. Если эта мощность равная Рд. обр =Uобр. макс*Iобр будет превышена, то возможен пробой p-n перехода, диод превращается в обычный резистор или даже проводник. На обратной ветви ВАХ этой точке соответствует загиб характеристики вниз. Обычно в справочниках указывается не допустимая мощность, а максимальное предельно допустимое обратное напряжение Uобр. макс.