Краткие сведения о полупроводниковых приборах

Лабораторная работа № 3

«Полупроводниковые приборы, применяемые в электротехнике»

(для студентов инженерно-технического факультета)

КУРСК 2010

Лабораторная работа № 3

«Полупроводниковые приборы, применяемые в электротехнике».

Время выполнения 2 часа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

изучить устройство и принцип действия полупроводникового диода, биполярного транзистора, тиристора, режим работы, схемы включения, статистические характеристики, параметры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

1. Изучить назначение и принцип работы полупроводниковых диодов.

2. Изучить назначение и принцип работы стабилитронов.

3.Изучить конструкцию и принцип работы транзисторов различных типов.

4.Объяснить принцип работы тиристоров.

В ОТЧЕТЕ ПРЕДСТАВИТЬ:

1. Название работы.

2. Цель работы.

3.Вольт-амперную характеристику полупроводникового диода с выделением ветвей.

4.Материалы диодов и их рабочую температуру, применяемые в генераторах переменного тока.

5.Вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона.

6.Структурные схемы транзисторов двух типов.

7.Структурную схему тиристора с описанием его принципа работы.

Краткие сведения о полупроводниковых приборах

1. Полупроводниковые диодыприменяются в регуляторах напря­жения, выпрямителях переменного тока и для защиты схем при не­правильном включении источника питания.

Полупроводниковые диоды обладают односторонней проводи­мостью благодаря образованию переходного слоя, так называемого р - п перехода (потенциального барьера). Таким образом, диод, или неуправляемый вентиль, как элемент электрической цепи пред­ставляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивле­ние, величина которого, зависит от величины и полярности прило­женного к нему напряжения.

2. Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является зависимость силы тока, протекающего через диод, от при­ложенного напряжения, т. е. вольт - амперная характеристика (рис.1).

Направление, в котором полупроводниковый диод имеет малое

сопротивление называется прямым, или проводящим, противоположное направление с большой величиной сопротивления называется обратным, или запирающим. Соответственно токи, протекающие через полупроводнико­вый диод, в зависимости от полярности приложенного напряжения называются прямыми или обратными.

Рис. 1. Вольт – амперные характеристики полупроводникового диода

Величина сопротивления полупроводниковых диодов в прямом направлении может быть в пределах от десятых до сотых долей Ома, а в обратном направлении достигает десятков и сотен ты­сяч Ом.

На вольт - амперной характеристике можно выделить две ветви и ряд характерных участков:

Б — прямая ветвь вольт – амперной характеристики;

В, Г, Д — обратная ветвь;

На прямой ветви в ее начале диод имеет сравнительно высо­кое сопротивление. При достижении U_прям = AU_Н (несколько деся­тых долей вольта) сопротивление резко падает и начинается уча­сток Б — малого сопротивления.

На обратной ветви характеристики — три участка.

В — небольшой участок, на котором диод имеет сравнительно высокую проводимость в обратном направлении.

Г — участок, на котором наступает явление насыщения, при ко­тором рост тока замедляется.

Д — участок определяется наступлением пробоя диода. При этом обратный ток резко возрастает и в зависимости от типа полу­проводникового диода и условий его работы наступает обратимый или необратимый пробой р - п перехода.

Величина напряжения, при котором наступает пробой, называ­ется пробивным напряжением. С целью предотвращения отказа в работе р — п перехода при кратковременных обратных напряжениях созданы специальные типы полупроводниковых диодов с так назы­ваемой лавинной обратной характеристикой (штрих - пунктирная линия). В этом случае пробой происходит равномерно по всей его поверхности, и если мощность, выделяемая в переходе, не превы­шает определенной величины, пробой является обратимым.

3. Основные параметры, определяющие работу полупроводниково­го диода в схеме выпрямителя:

- допустимое среднее значение силы тока в прямом и обратном направлении, которое ограничивается нагревом диода (температу­рой р - п перехода);

- допустимое обратное напряжение на диоде, которое ограничи­вается электрической прочностью диода.

Величины I_{н.. прям} и U_{н. обр} не являются постоянными и зависят от условий работы диода.

I_{н.. прям} зависит от интенсивности охлаждения диода и может из­меняться в связи с этим в довольно широких пределах.

U_{н. обр} также зависит от температуры р - п перехода, что опреде­ляется степенью нагрузки и видом охлаждения диода.

Заводом-изготовителем рекомендуются определенные режимы работы диода и указываются допустимые значения рабочих пара­метров.

В паспорте неуправляемого полупроводникового диода указы­ваются:

1) номинальная рабочая сила тока I_н.прям в прямом направлении
(среднее значение);

2) номинальное обратное напряжениеU_н._обр (амплитуда);

3) падение напряжения на диоде в прямом направлении при номинальной силе тока (среднее значение);

4) для диода с лавинной характеристикой — допустимая мощность, рассеиваемая диодом при пробое, с определенной длительно­стью импульса обратного тока;

5) предельная величина и длительность перегрузок.

В генераторах переменного тока для выпрямления переменного тока применяются плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Диапазон их рабочих токов и напряжений довольно широк.

4. Германиевые диоды по сравнению с кремниевыми обла­дают меньшим прямым падением напряжения, а также меньшими значениями допустимых обратных напряжений. Предельная темпе­ратура р — п перехода германиевых диодов (75—100° С) существен­но ниже, чем у кремневых (150 - 200° С).

При необходимости полупроводниковые диоды могут соединять­ся параллельно. При этом для равномерного распределения пря­мого тока между диодами необходимо включать в цепь диода с меньшим сопротивлением небольшие (доли Ома) добавочные ре­зисторы.

Германиевые и кремниевые диоды обладают значительными до­пустимыми прямыми токами и обратными напряжениями, что обу­словило их широкое применение в схемах. Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми обладают меньшим обратным током I_обр, большей нагревостойкостью, однако у них несколько большие потери при пропускании прямого тока.

Кремниевые плоскостные диоды, работающие в области пробоя, получили название стабилитронов или опор­ных д и о д о в.

5. Стабилитрон обладает свойством сохранять вы­сокое значение своего сопротивления до определенного значения напряжения, которое прикладывается к нему в обратном (непро­водящем) направлении. При этом ток через стабилитрон практиче­ски не проходит. Начиная с некоторого значения напряжения, ко­торое называется напряжением стабилизации U_Ct, проводимость

стабилитрона резко повышается, и стабилитрон начинает прово­дить ток.

В автомобильном электрооборудовании стабилитроны применя­ют в бесконтактных регуляторах напряжения, системах зажигания на полупроводниках, электронных тахометрах и спидометрах и для защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений.

Особенностью р — п перехода кремниевого стабилитрона являет­ся то, что при напряженности электрического поля примерно 250000 В/см в нем происходит лавинообразное разрушение ва­лентных связей, в результате чего проводимость диода в обратном направлении резко возрастает, поэтому увеличение силы обрат­ного тока на несколько порядков происходит почти при постоянном обратном напряжении. Выбор кремния в качестве материала для диода определяется тем, что проводимость у кремния при номинальной температуре много ниже, чем у германия, и, следовательно, сила тока насыщения I_нас меньше.

Благодаря малой силе тока насыщения при пробое не происхо­дит саморазогрева диода и лавин­ный пробой не переходит в тепло­вой.

Характеристика диода в области пробоя не имеет падающего участка, наоборот, с ростом силы тока, протекающего через диод, напряжение на нем несколько возрастает. Так, например, для ста­билитрона Д813 при изменении силы тока от 5 до 20 мА напряже­ние стабилизации изменяется от 13 до 13, 6 В.

Напряжение стабилизации кремниевого стабилитро­на определяется напряжением пробоя. Рабочий участок на вольт -амперной характеристике (рис. 2) ограничен минимальными и максимальными допустимыми токами.

I_{ст mах} определяется допустимой для прибора мощностью рассеяния, I_{ст min} — началом устойчивого пробоя.

Параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации U_ст;

максимальные и минимальные силы тока стабилизации для кремния, (I _{Ст ном} = 5 мА при t° = 20°C);

дифференциальное (динамическое) сопротивление в области стабилизации напряжения

динамическое сопротивление — отношение приращения напря­жения к приращению силы тока в области пробоя (в области ста­билизации напряжения):

Динамическое сопротивление кремниевых стабилитронов неве­лико (5—50 Ом). Чем выше сила тока стабилизации, тем меньше динамическое сопротивление.

Вольт - амперные характеристики кремниевых стабилитронов в области стабилизации линейны при изменении обратного тока в ди­апазоне нескольких порядков.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации С, %/°С

где U _CT1 — напряжение стабилизации при температуре t₁; напряжение стабилизации при температуре t₂; U_Ct напряже­ние стабилизации при температуре 20° С; t₁ и t₂ — температура окружающей среды.

Температурный коэффициент является величиной практически постоянной, при изменении силы тока стабилизации в допустимых пределах величина его колеблется от —0, 1 до +0, 12%. Чем выше напряжение стабилизации, тем выше температурный коэффициент.

6. В настоящее время выпускаются стабилитроны, имеющие напря­жение стабилизации в пределах 5—100 В при t= —60-f- +125° С. У маломощных стабилитронов мощность рассеяния порядка сотен милливатт, у мощных — до 8 Вт.

Маркировка полупроводниковых диодов, разработанных после 1964г., предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) –GaAS. Второй символ – буква, обозначающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные(универсальные) и импульсные диоды: В – варикапы; С – стабилитроны и стабисторы; Л – светодиоды. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода (у стабилитронов – мощность рассеяния): например, 3-переключательный, 4-универсальный и т.д. Четвертый и пятый символы - двузначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора (у стабилитронов – последовательность разработки).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А – германиевый (Г), диод(Д), универсальный(4), номер разработки 12, группа А.

КС196В – кремниевый (К), стабилитрон (С), мощность рассеяния не более 0, 3Вт (1), номинальное напряжение стабилизации 9, 6 В (96), третья разработка (В).

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Рис.2 а: Условное графическое изображение диодов (6-излучающий диод, 7-фотодиод).

Излучающий диод – полупроводниковый диод, излучающий из области p-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

Фотодиод – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда. Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.

7. Транзистор — плоскостной полупроводниковый триод. При из­менении полярности и величины напряжения, прикладываемого к зажимам эмиттер-база, изменяет свое сопротивление (между зажи­мами эмиттер-коллектор) в очень широких пределах. Это свойство транзисторов позволяет применять их в схемах регуляторов напря­жения для работы в ключевом режиме. Кроме того, транзисторы могут работать, помимо ключевого, в усилительном режиме. Это свойство транзисторов используется в контактно-транзисторных системах зажигания.

На рис.3 приведены структурные схемы транзисторов двух типов p-n-p и n-p-n.

Необходимо подчеркнуть, что триод представляет собой, обратимый прибор, т. е. эмиттер Э и коллектор К можно ме­нять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью структуры (рис. 4), а также различием материалов эмиттера и коллектора в некоторых типах триодов

нормальное и инверсное включения триода не равноценны.

Так как каждый из двух транзисторных переходов может на­

ходиться в открытом или закрытом состоянии, возможны четыре режима работа транзистора (табл. 1).

Таблица 1