Сопротивление диода переменному току

Сопротивление диода переменному току

бесплатной онлайн библиотеке «КнигаГо.ру»

Http://knigago.ru

I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц). В качестве выпрямительных используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения (рис.1.1). Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) направлению тока, а расположенная в третьем квадранте обратному направлению тока.

Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь, и ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

Токи диодов зависят от температуры (см. рис.1.1). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/°С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в два раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10°С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

Высокочастотные диоды — приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же свойства, что и выпрямительные, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.

Unp — постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе;

Uобр — постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;

Iпp — постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

Iобр — постоянный обратный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

Unp.oбр— значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода;

Inp.cp— средний прямой ток, среднее за период значение прямого тока диода;

Iвп.ср- средний выпрямительный ток, среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока);

Ioбр.cp— средний обратный ток, среднее за период значение обратного тока;

Рпр — прямая рассеиваемая мощность, значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого тока;

Pср — средняя рассеиваемая мощность диода, среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного тока;

Rдиф — дифференциальное сопротивление диода, отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока на нем при заданном режиме

(1.1)

Rnp.д. — прямое сопротивление диода по постоянному току, значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного прямого напряжения на диоде и соответствующего прямого тока

(1.2)

Rобр.д — обратное сопротивление диода; значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного обратного напряжения на диоде и соответствующего постоянного обратного тока

(1.3)

Максимально допустимые параметры определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течение установленного срока службы. К ним относятся: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max; максимально допустимый прямой ток Iпр.max, максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.max, максимально допустимый средний выпрямленный токIвп.ср.max, максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Рср.max.

Указанные параметры приводятся в справочной литературе. Кроме того, их можно определить экспериментально и по вольт-амперным характеристикам.

Рассмотрим пример (рис. 1.2). Рассчитать и сравнить Rдиф, Rпр.д для диода ГД107 при Iпр= 12 мА.

Дифференциальное сопротивление находим как котангенс угла наклона касательной, проведенной к прямой ветви ВАХ в точке Iпр= 12 мА (Rдиф

(1.4)

Прямое сопротивление диода находим как отношение постоянного напряжения на диоде Uпр=0,6В к соответствующему постоянному току Iпр=12мА на прямой ветви ВАХ.

(1.5)

Читайте также:  Почему не удаляются сохраненные фотографии вконтакте

Видим, что Rдиф >Rпр.д, что говорит об односторонней проводимости диода. Вывод об односторонней проводимости можно сделать и непосредственно из анализа ВАХ: прямой ток Iпp

Uст — напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;

∆Uст.ном — разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номи­нального значения;

Rдиф.ст — дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диа­пазоне частот;

αСТ — температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.

Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения (рис.1.5) основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитронов (см. рис.1.3).Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону,

В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне

а входное напряжение распределяется между Rогр и VD

Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона

Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т.е. соответствовал середине рабочего участка.

| следующая лекция ==>
Власть несбывшегося 21 страница | Передатчик 3Вт

Дата добавления: 2014-12-06 ; просмотров: 25206 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Различают два вида сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD.

Дифференциальное сопротивление (сопротивление по переменному току) определяется как

где I – прямой ток, Is — тепловой (обратный) ток.

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления rD будет равна rD = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току RD определяется как отношение приложенного напряжения VG к протекающему току I через диод:

(1.44)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке — меньше RD

Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 1.18а, а конструкция корпуса на рис. 1.18б.

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф ≈ 2÷50 Ом.

Основное назначение стабилитрона — стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, — лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб 8 .

Туннельный пробой в полупроводниках

Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя. Рассмотрим зонную диаграмму диода с p-n переходом при обратном смещении при условии, что области эмиттера и базы диода легированы достаточно сильно (рис. 1.19.).

Квантово-механическое рассмотрение туннельных переходов для электронов показывает, что в том случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, возможны туннельные переходы электронов между заполненными и свободными состояниями, отделенными потенциальным барьером.

Читайте также:  Почему глючит новый телефон

Форма потенциального барьера обусловлена полем p-n перехода. На рисунке 1.20 схематически изображен волновой пакет при туннелировании через потенциальный барьер треугольной формы.

Прохождение электронов в указанном на рис. 1.20 случае можно рассматривать как движение электронов вдоль оси х, где на интервале ∆х образуется потенциальный баръер высотой Ез.

Амплитудное уравнение Шредингера для рассматриваемого случая может быть записано в виде

Слева и справа от потенциального барьера уравнение примет вид

∂ 2 ψ/∂t 2 + (2m/Ћ 2 ) Eψ = 0

Внутри потенциального барьера

где Е – энергия электрона.

Тогда дифференциальные уравнения примут вид

Решение для волновых функций электрона будут

Ψ 1е Ј К 1 Х +В1 е –ЈК 1 х — падающая и отраженная волна слева от потенциального барьера

Ψ 3е Ј К 1 Х — прошедшая через барьер волна.

Постоянные А1, В1, А2, В2, А3 , представляющие собой амплитуды волн, находятся из граничных условий.

Используем условие непрерывности для волновой функции ψ и ее производной dψ/dx на границах потенциального барьера, а также предположение об узком и высоком потенциальном барьере ( к2w >> 1) , что соответствует случаю обратносмещенного p-n перехода, где w — ширина области пространственного заряда (обедненной области). В этом случае для вероятности туннельного перехода Tt получаем [ 1 ] :

Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока Jтун от напряженности электрического поля Е следующего вида [ 1 ] :

За напряженность электрического поля пробоя Eпр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: Iтун = 10·I.

При этом для p-n переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя Eпр составляет значения: кремний Si: Eпр = 4·10 5 В/см; германий Ge: Eпр = 2·10 5 В/см. Оценим напряжение Uобр, при котором происходит туннельный пробой. Будем считать, что величина поля пробоя Eпр определяется средним значением электрического поля в p-n переходе Eпр = Uобр/W . Поскольку ширина области пространственного заряда W изменяется от напряжения по закону , то, приравнивая значения W из выражений , получаем, что напряжение туннельного пробоя будет определяться следующим соотношением :

Рассмотрим, как зависит напряжение туннельного пробоя от удельного сопротивления базы стабилитрона. Поскольку легирующая концентрация в базе ND связана с удельным сопротивлением ρбазы соотношением ND = 1/ρμe, получаем:

Из уравнения следует, что напряжение туннельного пробоя Uz возрастает с ростом сопротивления базы ρбазы.

Эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя Uz для различных полупроводников имеют следующий вид:

германий (Ge): Uz = 100ρn + 50ρp;
кремний (Si): Uz = 40ρn + 8ρp,
где, ρn и ρp — удельные сопротивления n- и p-слоев, выраженные в (Ом·см).

Лавинный пробой в полупроводниках

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега λ, наберет энергию, равную либо большую, чем ширина запрещенной зоны, то, сталкиваясь с атомом решетки кристалла, этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно-дырочной пары. Дополнительно нагенерированные свободные носители также будут участвовать в аналогичном процессе. Это явление лавинного размножения свободных носителей в условиях сильного электрического поля получило название лавинного пробоя. На рисунке 1.21 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона λ. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

(1.48)

Рис. 1.21. а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Если обозначить начальный ток I, то после лавинного умножения величина тока будет иметь вид: I = M·I,

где Uμ — напряжение лавинного пробоя, U — напряжение, n — коэффициент, равный 3 или 5 для Ge или Si соответственно.

Читайте также:  Кровать массажер нуга бест nm 5000

Для несимметричного p + -n перехода расчет дает следующее значение напряжения лавинного пробоя VB при условии, что максимальное значение поля в ОПЗ p + -n перехода можно приближенно оценить как среднее:

(1.49)

Величина электрического поля Еm, определяемая соотношением (1.49), зависит от величины и типа легирующей концентрации ND, NA, температуры и лежит в диапазоне Еm = (4÷5)·10 5 В/см для кремния и Еm = (2÷3)·10 5 В/см для германия.

1.1. Исследование свойств полупроводникового диода.

1.2. Изучение схем для исследования диода.

1.3. Снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода.

1.4. Анализ ВАХ диода.

1.5. Привитие навыков электрических измерений.

2. Литература:

2.1 Вайсбурд Ф.И. «Электронные приборы и усилители», Радио и связь, 1987 г. §1.2- 1.4, стр. 17-38; §2.1, стр. 41-47.

2.2 Ушакова Л.В. «Электронная техника» раздел 1, глава 2, стр. 10-17; раздел 2, глава 4.1и 4.2, стр.20-25.

2.3 Виноградов Ю.В. «Электронные и полупроводниковые приборы», — М. Энергия, 1971 г., §2.1 — 2.5., с.31-47, §3.1. — 3.2., стр. 57-69.

3. Домашнее задание:

3.1. По одному из рекомендованных литературных источников изучить:

3.1.1. Устройство, принцип работы, ВАХ полупроводникового диода.

3.1.2. Основные параметры диода: крутизна Sд,; сопротивление переменному току Rдиф (дифференциальное сопротивление); сопротивление постоянному току Ro(при заданном значении напряжения), обратное сопротивление Rобр.; коэффициент выпрямления Квыпр. и методы их определения по ВАХ.

3.1.3. Схемы практического использования выпрямительного полупроводникового диода.

3.2. Проверить свои знания путем устного ответа на контрольные вопросы.

Подготовить отчет по лабораторной работе.

4. Оборудование для выполнения работы.

4.1. Персональный компьютер с установленной программой «Multisim»

4.2. Схемы исследования диода.

5. Краткие теоретические сведения.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода изображена на рис. 1.

Главным параметром выпрямительного диода является коэффициент выпрямления «Квыпр.».

Квыпр. — показывает во сколько раз величина прямого тока диода (Iпр.) при прямом напряжении Uпр. = 1В больше величины обратного тока (Iобр.) при обратном напряжении Uобр. = 1В. (Uпр. = Uобр. = 1В)

При выборе режима работы выпрямительного диода надо знать его предельные параметры:

Uобр max максимально допустимое обратное напряжение;

Iпр max максимально допустимый прямой ток;

fmax максимальная частота выпрямления.

Кроме того, необходимо учитывать:

R – сопротивление диода постоянному току. Вследствие нелинейности ВАХ диода, величина в разных точках нелинейной части характеристики будет различной. Поэтому вводится понятие — дифференциальное сопротивление диода.

Rдиф. – дифференциальное сопротивление диода переменному току.

Дифференциальное сопротивление диода можно рассчитать, графически используя линейный участок ВАХ.

При работе диода в области высоких частот и в импульсных режимах следует учитывать ёмкость диода – С

Крутизна характеристики диода – Sд показывает, изменение величины Iпр диода при изменении Uпр на линейном участке ВАХ. Крутизна характеристики является важным параметром диода. Крутизна характеристики диода — величина обратно пропорциональная дифференциальному сопротивлению диода.

Uпор. – пороговое напряжение диода это минимальное прямое напряжение, при котором диод открывается. У кремниевых диодов Uпор. выше, чем у германиевых.

При комнатной температуре электрический пробой у германиевого диода наступает обычно при Uo6p.= 150В, а у кремниевого — при Uo6p.=300В.

С повышением температуры напряжение пробоя у германиевого диода резко падает, а у кремниевого даже несколько возрастает. Таким образом, кремниевые диоды могут работать при более высоких обратных напряжениях и с меньшими обратными токами, чем германиевые. Именно поэтому в настоящее время выпрямительные диоды, как правило, изготавливаются на базе кремния.

Прямой ток диода при повышении температуры возрастает, поскольку в результате генерации увеличивается число носителей заряда в «р» и «n» — областях.

Именно благодаря односторонней электрической проводимости «р-n» перехода стало возможным использовать это свойство в виде выпрямительных диодов, предназначенных для пропускания тока только в одном заданном направлении.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector