Исследование характеристик диода и стабилитрона (Лабораторная работа № 1)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование характеристик диода и стабилитрона

Цель работы:Изучить принцип действия и основные характеристики полупроводникового диода и стабилитрона.

Полупроводниковые диоды и их применение

Основой полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров, симисторов и т.д. является p-n переход. Это структура полупроводника: германия (Ge) или кремния (Si), с областями дырочной (p) и электронной (n) проводимости.  Причём эти области получены в единой структуре за счёт диффузии доноров: сурьмы (Sb), фосфора (Р)  или акцепторов: галлия (Ga), индия (In).

Полупроводниковые приборы могут иметь 1, 2, 3 и более p-n переходов.

Электрическое сопротивление p-n перехода зависит от полярности и величины приложенного напряжения.

Принято считать, что если плюс приложен к p-области , а минус – к n-области, то это прямое смещение р-n перехода, а если наоборот, - то это обратное смещение p-n перехода.

При прямом смещении р-n перехода его сопротивление уменьшается, а при обратном – увеличивается при увеличении приложенного напряжения.

Теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода имеет две ветви: прямую (а) и обратную (б), которые являются экспонентами:

Одиночный p-n переход является полупроводниковым диодом. При этом p-область является анодом диода, а n-область – катодом диода:

анод        катод

Реальные характеристики полупроводниковых диодов сильно отличаются от теоретической

В прямой ветви ВАХ реального диода экспонента простирается только до напряжения U_о. Далее, при U>U_о, ВАХ линейна.

При обратном смещении, - в обратной ветви, - на формирование тока оказывает ряд дополнительных условий и, прежде всего, материал полупроводника и способ изготовления полупроводникового диода, что определяет линейный вид начальной части обратной ветви.

Кроме этого при обратном смещении при достижении некоторого напряжения наступает электрический пробой полупроводника.

Имеется два вида пробоя полупроводниковых диодов при обратном смещении: лавинный и тепловой.

При достижении обратным напряжением некоторой величины U_пр обратный ток начинает быстро возрастать при неизменном напряжении. На ВАХ этому соответствует ее вертикальный участок. Это явление получило название лавинного пробоя. Если обратный ток ограничить в пределах до I_лр.мах ,  то работоспособность диода сохранится. В противном случае наступает тепловой пробой и диод разрушается. На ВАХ этому соответствует участок с отрицательным наклоном – динамическое сопротивление отрицательно.

В p-n переходе есть область объёмного заряда, следовательно, полупроводниковый диод является конденсатором. Величина заряда, а значит и емкость диода, зависит от приложенного напряжения, т.е. емкостные свойства диода являются динамическими. Емкость диода от прямого напряжения является паразитной, так как она ухудшает динамические характеристики диода. Находит применение емкость диода, управляемая обратным напряжением, - барьерная емкость. При увеличении напряжения барьерная емкость диода уменьшается.

Полупроводниковые диоды начали использоваться, прежде всего, как выпрямители переменного тока.

Для выпрямления тока промышленной частоты с целью получения постоянного тока большой величины используются силовые диоды. Пропускание большого тока, достигается за счёт большой поверхности p-n перехода. Силовые (выпрямительные) диоды используются в различных устройствах (блоках) питания электронной техники. Основными характеристиками силовых диодов являются: допустимый прямой ток и обратное напряжение. Допустимый прямой ток силового диода зависит от температуры.

Диоды с малой площадью p-n перехода и высокими скоростными характеристиками (с малой паразитной емкостью), - точечные диоды, - используются для детектирования звука из сигналов радиочастот.

Явление лавинного пробоя используется в работе стабилитронов – полупроводниковых приборов, применяемых в схемах стабилизации постоянного напряжения. Получение p-n перехода с нужным значением пробивного напряжения обеспечивается соответствующей концентрацией примесей: доноров и акцепторов. Для стабилитронов нормируется напряжение и диапазон тока стабилизации.

Барьерная емкость диода обеспечивает их применение в качестве настраиваемых конденсаторов. Такие диоды называются варикапами.

Кроме этого p-n переход может взаимодействовать с различными излучениями. Если он взаимодействует со светом, его называют фотодиодом. Фотодиоды используется в солнечных батареях, где конструктивно и электрически объединяется большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Фото ЭДС составляет 0,6...0,7 В. Фотодиоды используются в чувствительных матрицах цифровой фото и кинотехники.

 Полупроводниковые диоды используют также в качестве излучателей света – это так называемые светодиоды.  Диоды на арсениде галлия длина волны излучения больше 1 мкм, т.е. он излучает в инфракрасной области спектра. Для излучения видимого спектра используется фосфид галлия. Светодиоды используются как элементы индикации.

Диоды маркируются и буквенное имеют условное графическое обозначение (УГО) на принципиальных электрических схемах.

Диоды могут иметь старую и новую маркировку. По старой маркировке все диоды обозначались буквой Д и цифрой с буквой, которые определяют электрические параметры.

Новая маркировка состоит из четырёх обозначений:

1 – буква или цифра, обозначающая материал полупроводника:

- Г (1) - германий;

- К (2) - кремний;