Лабораторна робота 2

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ТА ЧАСТОТНИХ ПАРАМЕТРІВ
НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

 

Мета роботи:поглиблення і закріплення знань про основні процеси, що проходять в напівпровідникових діодах (НД), про особливості їх як елементів електронних кіл, про граничні експлуатаційні параметри та особливості роботи таких приладів в динамічному режимі. Дослідження НД в імпульсному режимі, при випрямленні та обмеженні напруги. Набуття навичок експериментального дослідження перехідних процесів, частотних параметрів, випрямних властивостей і визначення швидкодії НД.

 

 

1. Стислі теоретичні відомості

 

Основні властивості напівпровідникових діодів. Електронно-дірковий перехід, крім ефекту випрямлення, має й інші властивості (нелінійність вольт-амперної характеристики, бар'єрну ємність), їм притаманне явище ударної іонізації атомів напівпровідника як при зворотному, так в певних умовах і при прямому вмиканні. Ці властивості р-n переходу використовують для створення різних видів НД: випрямних діодів, стабілітронів, лавинопролітних діодів, варикапів, фотодіодів, світлодіодів.

При використанні випрямних діодів ефект випрямлення досягається внаслідок великої різниці їх опорів при інжекції і екстракції носіїв заряду (при прямому і зворотному ввімкненні). Найбільш широке розповсюдження набули германієві і кремнієві діоди, а також діоди Шотткі, в яких використовується контакт метал-напівпровідник (як випрямний).

Важливо запам'ятати, що кремнієві діоди при зворотному ввімкненні мають на шість порядків менше значення теплового струму I _o, ніж германієві, за рахунок більш нижчої концентрації основних носіїв заряду, що обумовлено шириною забороненої зони (у кремнію 1,87 еВ; у германія 1,13 еВ). По цій же причині пряма гілка ВАХ у кремнієвих діодів іде праворуч від германієвих (зміщення на 0,25... 0,35 В) (рис. 2.1).

При виборі типу діода треба враховувати його межові експлуатаційні данні: середній випрямлений струм, зворотну напругу (амплітудне значення), діапазон робочих температур, відносну вологість, тиск, вібрацію, постійне лінійне прискорення, гарантійний наробіток.

Повний перелік параметрів НД міститься в державному стандарті України “ДСТУ 2332-93”. Діоди напівпровідникові. Терміни, визначення та літерні позначення електричних параметрів», Далі використовуються позначення, рекомендовані цим документом.

Для розрахунку кіл, що містять діоди, та їх моделювання використовують такі параметри: опір за постійним R _п диференціаль-ний опір r струмом, диференціальну крутість вольт-амперної характеристики і повну ємність діода C_tot = C_{j +} C_{cast ,}де C_tot - значення ємності між виводами діода в заданому режимі; C_cast –значення ємності між виводами корпусу діода за відсутності кристала.

 

Рис. 2.1. Вольт-амперні характеристики діодів при :

Ge - германієвий діод ІД507А;

Si - кремнієвий діод 2ДІ03А

 

Для розрахунку кіл, що містять діоди, та їх моделювання використовують такі параметри: опір за постійним R _п диференціаль-ний опір r струмом, диференціальну крутість вольт-амперної характеристики і повну ємність діода C_tot = C_{j +} C_{cast ,}де C_tot - значення ємності між виводами діода в заданому режимі; C_cast –значення ємності між виводами корпусу діода за відсутності кристала.

В області високих частот починає проявлятися інерційність процесів руху носіїв зарядів, а тому використовують динамічні моделі діодів.

При швидкій зміні напруги діода період коливань стає сумірним з часом накопичення і розосередження нерівноважного заряду в базі і незкомпенсованого об'ємного заряду в електронно-дірковому переході. Створюється динамічний режим. В даному режимі необхідно приймати до уваги ємнісні властивості діодів, тобто їх спроможність накопичувати і відповідно віддавати заряд при збільшенні чи зменшенні прикладеної напруги. Накопичення заряду відбувається в p-n переході і в базі діода. У відповідності з цим виділяють дві складові ємності діоду C_j: бар'єрну C _бар і дифузійну С _дф. При цьому C_j = C _{бар +} С _дф. При зворотному ввімкненні діодів, а також при малій прямій напрузі заряди накопичуються безпосередньо на межі p-n переходу. Інерційність їх накопичення і розосередження враховуються бар'єрною ємністю. При збільшенні зворотної напруги товщина переходу збільшується, обкладки конденсатора наче віддаляються і ємність його зменшується. Залежність ємності діода від прикладеної напруги використовується для побудови спеціальних НД-варикапів. Вони являють собою конденсатори, ємність яких залежить від величини зворотної напруги і визначається за допомогою вольт-фарадних характеристик С _бар=ƒ(U_R).

При переході в область прямих напруг головну роль в режимі великих сигналів відіграють процеси накопичення незрівноваженого заряду в базі, що моделюють за допомогою дифузійної ємності. При аналізі електричних кіл в описаних режимах, діоди необхідно подавати як динамічні моделі (рис. 2.2), в яких L – індуктивність діода; C_{cast ,} C _бар, С _дф – ємність корпусу, бар'єрна та дифузійна ємності переходу; r, R _п, r _в, – резистори, що визначають диференціальний опір і змінний опір p-n переходу, а також опір бази діода.

Індуктивність діода складається з індуктивностей виводів і контактної пружини, яка з’єднує кристал з одним із виводів.

Ємнісні властивості обмежують швидкодію імпульсних, або ключових діодів. Часові залежності напруги та струму, що характеризують перехідні процеси в напівпровідниковому діоді, залежать від амплітуди сигналу (густини прямого струму) і від опору зовнішнього кола, в яке ввімкнений діод. Тому необхідно розглядати чотири випадки перехідних процесів.

Перехідні процеси при великих напругах та струмах. При відносно великих густинах прямого струму, що проходить через діод, головну роль відіграє накопичення неосновних носіїв в базі діода, тобто дифузійна ємність.

Рис. 2.2. Динамічна модель діода

 

Розглянемо перехідні процеси при підключенні діоду до генератора напруги (r < R _г). При подачі на діод імпульсу прямої напруги (рис. 2.3, а) струм діода досягає сталої величини не відразу, тому що в початковий момент опір діода продовжує бути великим. З часом в базі накопичуються інжектовані через p-n перехід неосновні носії. В результаті цього опір та падіння напруги на базі зменшуються, а на p-n переході – збільшуються, що викликає ріст рівня інжекції. Струм діода поступово збільшується до сталого значення. Після закінчення імпульсу на діод стрибком подається зворотна напруга (негативна напруга зміщення E _зм). При переключенні діода з прямої напруги на зворотну в початковий момент спостерігається великий зворотний струм, обмежений в основному послідовним опором бази. Цей струм обумовлений неосновними накопиченими в базі носіями. Зворотний струм зберігає своє значення протягом часу розосередження (t _роз). Далі всі накопичені в базі носії проходять через p-n перехід або рекомбінують в базі діода, в результаті чого зворотний струм зменшується до стаціонарного значення – струму насичення. В цей час закінчується відновлення зворотного опору діода.

Процес розосередження накопичених носіїв проходить значно повільніше ніж процес їх накопичення, тому процес розосередження і визначає частотні властивості і швидкодію більшості діодів. Для імпульсних діодів введено параметр тривалості зворотного відновлення t_rr – це тривалість відновлення зворотного опору або струму, яка визначається інтервалом часу між моментом перемикання напруги на діоді з прямої на зворотну і моментом, коли зворотний струм зменшиться до даного значення (рис. 2.3, а).

При підключенні діода до генератора струму (r << R _г) струм, що проходить через діод, збігається за формою з імпульсами генератора (рис. 2.3, б). В даному режимі досліджуються імпульси напруги на діоді. При проходженні прямого струму через діод в перший момент після ввімкнення спостерігається зростання напруги. Це викликано великим початковим опором, який зберігається до тих пір, поки інжектовані носії не зменшать опір бази діода. Тому для оцінки швидкодії при підключенні імпульсних діодів до генератора струму використовують параметр - тривалість прямого відновлення діода t_fr. Це інтервал часу, протягом якого відбувається ввімкнення діода і пряма напруга на ньому встановлюється від значення, рівного нулю, до заданого усталеного значення.

Зазвичай цей параметр фіксують на рівні, коли після максимального викиду напруга спаде до значення 1,1... 1,2 U (див. рис. 2.3, б).

Перехідні процеси при малих напругах та струмах. При прикладанні до діода малої прямої напруги (робота з генератором напруг) ефект модуляції товщини та опору бази через низький рівень інжекції дуже малий (рис. 2.4, а). Тому опір діода має ємнісний характер. Струм, який проходить через діод різко збільшується і обмежується тільки опором бази.

 

 

а б

Рис. 2.3. Осцилограми струмів і напруг імпульсного діода при його роботі

в режимі великих амплітуд в схемах з генератором напруги (а)

і генератором струму (б)

 

У процесі зарядження бар'єрної ємності напруга на p-n переході і струм через діод прямує до деяких встановлених значень, які визначаються активною складовою опору p-n переходу. В момент перемикання діода напруга на бар'єрній ємності не може змінитися миттєво, вона досягає усталеного значення через деякий час. Струм діода має негативний викид та поступово зменшується (рис. 2.4, а).

При підключенні діода до генератора струму у перший момент дії імпульсу весь струм складається з ємкісної складової. Тому напруга на діоді визначається падінням напруги на опорі бази діода (рис. 2.4, б). У процесі зарядження бар'єрної ємності зростає і напруга на діоді. При вимиканні діода на ньому деякий час зберігається залишкова напруга, яка зменшується з часом (рис. 2.4, б), який визначається розрядом бар'єрної ємності через активний опір p-n переходу.

 

а б

Рис. 2.4. Осцилограми струмів і напруг імпульсного діода

при його роботі в режимі малих амплітуд в схемах

з генератором напруги (а) з генератором струму (б)

 

Діодам, розробленим після 1964 року надається позначення із чотирьох елементів: перший елемент-літера або цифра, яка позначає вихідний матеріал (Г або 1 – германій, К або 2 – кремній, А або 3 – сполучення галія); другий елемент – літера, що вказує на підклас приладу (В – варикапи, Д – випрямні універсальні та імпульсні, Ц – випрямні стовпи, блоки та ін.); третій елемент – число, перша цифра якого позначає класифікаційний номер, а наступні дві цифри (від 1 до 99) – порядковий номер розробки (крім стабілітронів та стабісторів). Кожному типу напівпровідникових діодів встановлений свій класифікаційний номер (варикапи - 1,2; випрямні блоки залежно від потужності – 3,4; випрямні діоди малої потужності (прямий струм до 0,3 А) – 1, середньої потужності (прямий струм від 0,3 до 10 А) – 2. Імпульсні діоди класифікуються за тривалістю відновлення зворотного опору: більше 150 нс – 5, від 30 до 150 нс – 6, від 5 до 30 нс – 7, від 1 до 5 нс – 8; менше 1 нс – 9. Наприклад, КД504А – кремнієвий діод, імпульсний, з часом відновлення більше 150 нс.

Умови експлуатації діодів наведені у довідниках [4, 8]. Необхідно запам'ятати, що для підвищення надійності робочі навантаження діодів не повинні перевищувати значень, вищих ніж 70-80 % гранично допустимих.

Література: [1, c. 14 - 39, 44 - 49]; [2, c. 4 - 19]; [3, c. 19 - 44];

[4, c. 94 - 99]; [5]; [7].