Автор работы: Пользователь скрыл имя, 20 Марта 2012 в 17:21, контрольная работа
В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 1 а).
Если изменить направление тока на обратное (рис.1 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.
17
Урок 49
Лекция 38
Полупроводниковые диоды
В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 1 а).
Если изменить направление тока на обратное (рис.1 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.
а)
Рис. 1
В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 1 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 1 а).
Электронно-дырочный, или p-n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью.
Полупроводниковый диод – это прибор с двухслойной P-N структурой и одним P-N переходом.
Слой Р - акцепторная примесь ( основные носители - дырки ). Слой N - донорная примесь (основные носители - электроны).
Обозначение на схемах:
Катод
V или VD - обозначение диода
VS – обозначение диодной сборки
V7 Цифра после V, показывает номер диода в схеме
Анод – это полупроводник P-типа Катод – это полупроводник N-типа
При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).
При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).
В зависимости от функционального назначения различают:
1) Выпрямительные диоды
2) Лавинные диоды
3) Выпрямительные столбы
4) Выпрямительные блоки и сборки
5) Универсальные и импульсные диоды
6) Диоды с накоплением заряда
7) Диодные матрицы и сборки
8) Стабилитроны
9) Стабисторы
10) Ограничители напряжения
11) Генераторы шума
12) Варикапы
13) Варакторы
14) Туннельные диоды
15) Обращённые диоды
16) СВЧ-диоды
17) Светоизлучающие диоды
18) Излучающие диоды инфракрасного диапазона
19) Фотодиоды
20) И другие
Вольт-амперная характеристика идеального диода (вентиля)
Uэл.проб. = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.
Uнас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.
Ia и Ua – анодный ток и напряжение.
Участок I:– рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)
Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)
Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.
Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)
Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.
Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.
Тепловой пробой - необратим.
Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают.
Основные параметры полупроводниковых приборов
1. Максимально допустимый средний за период прямой ток (IПР. СР.)
- это такой ток, который диод способен пропустить в прямом направлении.
Величина допустимого среднего за период прямого тока равна 70% от тока теплового пробоя.
По прямому току диоды делятся на три группы:
1) Диоды малой мощности (IПР.СР < 0,3 А)
2) Диоды средней мощности (0,3 <I ПР.СР <1 0 А)
3) Диоды большой мощности (IПР.СР > 10 А)
Диоды малой мощности не требуют дополнительного теплоотвода (тепло отводится с помощью корпуса диода)
Для диодов средней и большой мощности, которые не эффективно отводят тепло своими корпусами, требуется дополнительны теплоотвод (радиатор – кубик металла, в котором с помощью литья или фрезерования делают шипы, в результате чего возрастает поверхность теплоотвода. Материал - медь, бронза, алюминий, силумин)
2. Постоянное прямое напряжение (Uпр.)
Постоянное прямое напряжение – это падение напряжения между анодом и катодом при протекании максимально допустимого прямого постоянного тока.
Проявляется особенно при малом напряжении питания.
Постоянное прямое напряжение зависит от материала диодов (германий - Ge, кремний - Si)
Uпр. Ge ≈ 0.3÷0.5 В (Германиевые)
Германиевые диоды обозначают – ГД (1Д)
Кремниевые диоды обозначают – КД (2Д)
3. Повторяющееся импульсное обратное максимальное напряжение (Uобр. max)
Электрический пробой идет по амплитудному значению (импульсу) Uобр. max ≈ 0.7UЭл. пробоя (10÷100 В)
Для мощных диодов Uобр. max= 1200 В.
Этот параметр иногда называют классом диода (12 класс -Uобр. max= 1200 В)
4. Максимальный обратный ток диода (Imax ..обр.)
Соответствует максимальному обратному напряжению (составляет единицы mA).
Для кремниевых диодов максимальный обратный ток в два раза меньше, чем для германиевых.
5. Дифференциальное (динамическое) сопротивление.
Полупроводниковые диоды
Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 2 а). У точечного диоды линейные размеры p-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 2 б.
Рис. 2
В плоскостных диодах p-n - переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм2 до нескольких см2, поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 3 а, б.
а)
Рис. 3
Паспортные данные некоторых диодов.
Германиевый
Iпр max=300 mA
Uпр=0,5 B
Uобр max=200 B
Iобр=100 мкА
T=500 C
Найти в справочнике эти данные, записать и сравнить. Ответить на вопросы:
1. Можно ли использовать эти диоды в выпрямителе при напряжении 220В и почему?
2. Можно ли использовать эти диоды в выпрямителе при напряжении 150В и почему?
3. Можно ли использовать эти диоды в выпрямителе при напряжении 100В и почему?
4. Какой максимальный ток нагрузки для каждого диода?
Стабилитроны
Стабилитрон – это разновидность диода. Применяется для ограничения электрических сигналов по току и напряжению.
Используются в стабилизаторах напряжения.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Рабочим участком является участок электрического пробоя.
Uстаб. – напряжение стабилизации
Iстаб.min – минимальный ток стабилизации
Iстаб.max – максимальный ток стабилизации
Рабочий ток стабилитрона лежит в пределах от минимального до максимального тока стабилизации.
Степень наклона рабочего участка, характеризуется динамическим сопротивлением
Для идеального стабилитрона RД=0. Uстаб. =3 ÷ 200 В
Стабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, напряжение электрического пробоя которого очень слабо зависит от протекающего через него тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения в различных электронных устройствах (например, блоках питания). Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 4.
Из характеристики видно, что напряжение стабилизации слабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации . Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения в стабилизаторах напряжения.
Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является напряжение стабилизации (пробоя). В справочных данных указывается номинальное напряжение стабилизации для определенного тока. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации в диапазоне 5…300 В и с допусками на разброс номинального напряжения 5, 10, 15 %. Наличие разброса ограничивает применение некоторых схем включения стабилитронов и приводит иногда к усложнению схем.
Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается температурным коэффициентом напряжения , представляющим собой отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры стабилитрона, приведенное к одному вольту, %.
Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации RД =ΔUст/ΔIст , минимальный и максимальный ток стабилизации.
Параметры схем со стабилитронами выбираются так, чтобы длительный средний ток через них был меньше максимально допустимого Значение тока ограничено допустимой по тепловому режиму мощностью рассеяния и представляет собой отношение этой мощности к напряжению стабилизации. Кратковременно же стабилитрон способен выдерживать токи, значительно большие Значение температурного коэффициента возрастает с увеличением напряжения стабилизации. Поэтому в ряде случаев целесообразно заменить один высоковольтный стабилитрон цепочкой низковольтных, соединенных последовательно.
Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.
Подключение и пайка
Светодиоды должны быть подключены правильным образом, учитывая их полярность + для анода и - для катода. Катод имеет короткий вывод, более короткую ножку. Если вы видите внутри светодиода его внутренности - катод имеет электрод большего размера (но это не официальные метод).
Светодиоды могут быть испорчены в результате воздействия тепла при пайке, но риск невелик, если вы паяете быстро. Никаких специальных мер предосторожности применять не надо для пайки большинства светодиодов, однако бывает полезно ухватиться за ножку светодиода пинцетом – для теплоотвода.
Проверка светодиодов
Никогда не подключайте светодиодов непосредственно к батарее или источнику питания!
Светодиод перегорит практически моментально, поскольку слишком большой ток сожжет его. Светодиоды должны иметь ограничительный резистор. Для быстрого тестирования 1кОм резистор подходит большинству светодиодов если напряжение 12V или менее. Не забывайте подключать светодиоды правильно, соблюдая полярность!
Цвета светодиодов
Светодиоды бывают почти всех цветов: красный, оранжевый, желтый, желтый, зеленый, синий и белый. Синего и белого светодиода немного дороже, чем другие цвета.
Цвет светодиодов определяется типом полупроводникового материала, из которого он сделан, а не цветом пластика его корпуса. Светодиоды любых цветов бывают в бесцветном корпусе, в таком случае цвет можно узнать только включив его…
Многоцветные светодиоды
Устроен многоцветный светодиод просто, как правило это красный и зеленый объединенные в один корпус с тремя ножками. Путём изменения яркости или количества импульсов на каждом из кристаллов можно добиваться разных цветов свечения.
Мигающие светодиоды
Мигающие светодиоды выглядят как обычные светодиоды, они могут мигать самостоятельно потому, что содержат встроенную интегральную схему. Светодиод мигает на низких частотах, как правило 2-3 вспышки в секунду. Такие безделушки делают для автомобильных сигнализаций, разнообразных индикаторов или детских игрушек.