Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Теоретическая часть



Комбинация двух полупроводниковых слоев с различным типом проводимости (р - дырочной и n - электронной) обладает выпрямляющими свойствами : она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим – обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р- и n- слои, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объёмных зарядов - электронно-дырочным переходом.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода m=0,5, в EWB 5.0 имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую - электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами (m=0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные р-п-переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в р- и п-слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.

Вольтамперная характеристика р - n перехода описывается выражением:

I=Iо[ехр (U/Ut)-1] ,

где I - ток через переход при напряжении U, Iо - обратный ток, Ut – температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26мВ.

 

 

Рис. 1 Реальные вольт-амперные характристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) диодов при разной температуре

 

На рис.1 представлены реальные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенциальный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение Uпор составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от Uобр. При данной температуре Iобр только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина Iобр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением Uобр у них равномерно растет Iобр, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.

Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит "размножение" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон—дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока, с ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило, тепловой пробой не имеет самостоятельного значения; он может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже
приобрёл достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение Uпр — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток I обр — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

Rпр=Uпр/Iпр

оно составляет единицы и десятки ом;

сопротивление диода в обратном направлении

Rобр=Uобр/Iобр

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода rдиф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

rдиф=∆U/∆I

Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление—это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.

Одним из достоинств Electronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащённости исследователя, и освоить методики измерения, соответствующими этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Можно иметь всего лишь универсальный прибор – мультиметр (тестер), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника.

Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схемерис. 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины.
Ток диода при этом можно вычислять из выражения:

Iпр=(Е-Uпр)/R (1.1)

где Iпр - ток диода в прямом направлении,

Е - напряжение источника питания,
Uпр - напряжение на диоде в прямом направлении.

 

Изменив полярность включения диода в той же схемерис. 1.1, можно снять
ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении

Iоб=(Е-Uоб) /R (1.2)

где Iоб - ток диода в обратном направлении,

Uпр - напряжение на диоде в обратном направлении.

 

Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если Вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение всхеме рис.1.1, а затем ток в схеме рис.1.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

 

рис. 1.1 рис. 1.2

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схемерис. 1.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путём измерения напряжения на диоде при протекании различных
токов за счёт изменения напряжения источника питания Vs.

И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая её на экране осциллографа (рис. 1.4).

Параметры генератора: -частота (freguency) – 850 Гц;

-длительность (duty circle) – 50%;

-амплитуда (amplitude) – 1 В;

-смещение (offset) – 0.

Параметры осциллографа: Тimе bаsе (1.00 ms/div ; В/А) Тriggег (Аutо)

Сhаnnеl А (200 mv/div ; DС)
Сhаnnеl В (1 mv/div ; DС)

 

рис. 1.3

рис. 1.4

 

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной оси - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение(канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

Описание работы

Запуск пакета Electronics Workbench осуществляется нажатием левой клавиши
мыши на ярлык программы Electronics Workbench Pro на рабочем столе или воспользовавшись меню пуск / программы / Electronics Workbench / Electronics Workbench Pro. Выбираем необходимые элементы схемы в окошках, соединяем, запускаем схему, проводим необходимые измерения.

Приборы и элементы: Функциональный генератор, мультиметр, осциллограф,
источник постоянного напряжения, диод, резисторы.