В этом разделе изучается влияние температуры и материала на вольт- амперную характеристику полупроводниковых диодов. Изучение производится без использования реальных диодов , а по их математическим моделям
, (1)
где I0 - тепловой ток , в основном зависящий от температуры и ширины запрещенной зоны исходного полупроводника, m - коэффициент, зависящий от материала и технологии изготовления диодов.
Вольтамперные характеристики модели , рассчитанные по формуле (1) , достаточно хорошо совпадают с характеристиками реальных диодов при подстановке соответствующих I0 и m.
Исследование модели диода выполняется на ЭВМ , в программу работы которой заложена формула (1).
По заданию студента ЭВМ рассчитывает характеристики модели диода для заданной температуры и ширины запрещенной зоны полупроводника.
По результатам расчета на экране монитора строится график , что позволяет после изменения того или иного параметра модели (DW и T) увидеть результаты этого изменения.
Сразу после запуска программы на экране монитора изображается две шкалы параметров в виде :
Т0, С = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ´ 10.
DW, Эв = 0.7; 1.1; 1.4.
Одновременно выводится график ВАХ для параметров модели, подсвеченных на шкалах Т и DW. Изменение этих параметров осуществляется нажатием клавиш ® , , при этом на шкале отмечается соответственно очередное правое или левое значение параметра. Для того , чтобы перейти к другой шкале необходимо пользоваться клавишами и ¯. Следует обратить внимание , что при изменении температуры изменяется множитель по оси обратного тока.
4. Задание к работе в лаборатории
1.На экране монитора получить вольтамперные характеристики диодов, выполненных из различных материалов для различных температур. Для одной из температур (по указанию преподавателя) зарисовать ВАХ всех трех диодов на одном графике.
Примечание 1. Так как обратные токи могут отличаться в 1000 раз и более, то по оси I ОБР необходимо использовать логарифмический масштаб (рисунок 2.1). Такой же масштаб следует использовать при построении графиков IОБР=f(T0) ( смотри пункт 2 отчета).
2. Для различных диодов исследовать зависимость напряжения пробоя от температуры UПРОБ = f( T ). Результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1а. Диод Ge.
Т0, С
UПРОБ, В
Таблица 1 б. Диод Si.
Т0, С
UПРОБ, В
Таблица 1в. Диод Ga As.
Т0, С
UПРОБ, В
3. При постоянном обратном напряжении UОБР , меньшем пробивного, исследовать зависимость IОБР = f( T ) для различных диодов. Результаты занести в таблицу 2.
Примечание 2.Перед выполнением пункта 3 вначале требуется выбрать такое значение U ОБР, чтобы оно было меньше UПРОБ во всем диапазоне температур.
4. Исследовать зависимость прямого тока от температуры при постоянном прямом напряжении для различных диодов. Результаты занести в таблицу 3.
Примечание 3.Перед исследованием каждого типа диодов выбрать такое значение прямого напряжения UПР, которое позволяет осуществить отсчет тока для всех температур.
Таблица 2а. Диод Ge, UОБР= ... В.
Т0, С
IОБР, мкА
Таблица 2б. Диод Si, UОБР= ... В.
Т0, С
IОБР, мкА
Таблица 2в. Диод Ga As, UОБР= ... В.
Т0, С
IОБР, мкА
Таблица 3а. Диод Ge, UПР= ... В..
Т0, С
IПР, мА
Таблица 3б. Диод Si, UПР= ... В.
Т0, С
IПР, мА
Таблица 3в. Диод Ga As, UПР= ... В
Т0, С
IПР, мА
5. Определить влияние ширины запрещенной зоны DW на величину обратного тока , для чего сравнить характеристики разных диодов при одной и той же температуре. В каждом случае определить величину обратного тока в предпробойной области характеристики. Для каждого вида диодов определить вид пробоя.
5. Содержание отчета
Отчет должен содержать ВАХ различных диодов, таблицы и графики зависимостей для всех трех типов диодов, полученные в результате исследования :
1. UПРОБ= f( T )
2. IОБР = f(T) ½UОБР = const
3. IПР = f( T ) ½UПР = const
4. IОБР = f( DW ) ½ T = const.
По каждому из графиков сделать необходимые выводы о влиянии температуры на характеристики и параметры диодов. В частности:
1. Оценить во сколько раз изменится обратный ток каждого из диодов при изменении температуры на 100 С.
2. Сравнить обратные токи различных диодов при одной температуре.
Указания к выполнению домашнего задания на тему:
²ВЫБОР ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ ²
1. Цель работы
1. Произвести выбор диодов для конкретных радиоэлектронных устройств.
2. Научиться пользоваться справочной литературой по полупроводниковым диодам.
2. Подготовка к работе
При подготовке к работе проработать вопросы курса , указанные в разделе 2 лабораторной работы №1.
3. Задание
Домашнее задание на тему «Выбор полупроводниковых диодов » состоит из трех частей :
1. Для простейшего однополупериодного выпрямителя с заданными значениями среднего выпрямленного тока и среднего выпрямленного напряжения выбрать полупроводниковый диод (диоды, столбы или блоки).
2. Составить схему и подобрать стабилитрон для простейшего стабилизатора напряжения при известных значениях входного (нестабилизированного) напряжения , выходного (стабилизированного) напряжения и тока нагрузки. Рассчитать величину ограничительного (гасящего) сопротивления и проверить , не выйдет ли стабилитрон за пределы участка стабилизации при изменении входного напряжения от ЕВХ МИН до ЕВХ МАКС.
3. Выбрать варикап для настройки колебательного контура и подобрать для него рабочее напряжение при известных значениях резонансной частоты и индуктивности контура.
Конкретные значения всех величин для выполнения расчетов задаются преподавателем.
4. Выбор выпрямительных диодов
Предположим что нам необходимо выбрать диод для простейшего выпрямителя со следующим параметрами :
UВЫПР=200 В; IВЫПР= 100мА.
Схема простейшего выпрямителя приведена на рисунке 3.1.
Для выбора диода обычно руководствуются следующими правилами :
а) максимальный прямой ток диода
IПР МАКС должен быть равен или больше среднего выпрямленного тока;
б) максимальное обратное напряжение диода UОБР МАКС должно быть не менее, чем в 2 раза больше среднего выпрямленного напряжения.
В справочниках по полупроводниковым приборам в разделе ²Выпрямительные диоды ², а также ². Столбы и блоки Рисунок 3.1 выпрямительные² приведены конструктивные, электрические параметры диодов, их характеристики и указания по эксплуатации. В частности, в числе электрических параметров указано максимальное допустимое обратное напряжение и максимально допустимый постоянный (или средний выпрямительный) ток. Следует отметить, что эти значения приведены для различных температур окружающей среды.
Используя эти данные , можно выбрать подходящий тип диодов. Так, для нашего примера UВЫПР=200 В, IВЫПР=100мА, вполне подходят диоды КД105, у которых максимально допустимое обратное напряжение для различных типов составляет от 400 до 800 В, а максимальный прямой ток до 300 мА, что вполне достаточно. Возможно применение и более мощных диодов, например КД203А, Б,В, КД204 и др. Однако следует учесть, что более мощные диоды обычно более дорогие и более громоздкие, поэтому их использование в нашем случае нежелательно.
При невозможности обойтись одним диодом можно использовать последовательное или параллельное их включение.
5. Выбор стабилитронов
Предположим, требуется выбрать стабилитрон, а также подобрать ограничительное (гасящее) сопротивление R для простейшего стабилизатора напряжения (рисунок 3.2.).
Выходное напряжение , оно же напряжение стабилизации , в этой схеме полностью определяется типом стабилитрона. Каждый стабилитрон имеет в числе электрических параметров номинальное напряжение стабилизации UСТ . Из других параметров стабилитронов важнейшими являются минимальный и максимальный токи стабилитрона IСТ МИН и IСТ МАКС, а также максимальная рассеиваемая мощность РМАКС.
Примечание:В справочниках приводятся также значения UСТ МИН и UСТ МАКС или отклонение DUСТ от номинальногозначения. Эти изменения UСТ объясняются чисто технологическими причинами и при выполнении задания их учитывать не нужно.
Рисунок 3.2.
В настоящее время промышленность выпускает стабилитроны с напряжением стабилизации от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. В случае отсутствия стабилитрона с необходимым напряжением стабилизации можно использовать последовательное соединение стабилитронов (рисунок 3.3) или встречное соединение выпрямительного диода VD1 и стабилитрона VD2 (рисунок 3.4).
Рисунок 3.3. Рисунок 3.4.
В первом случае UВЫХ=UСТ1+UСТ2, во втором UВЫХ=UСТ+UПР, где UПР- падение напряжения на диоде VD1 при прямом включении .
Значение UПР для выпрямительных диодов приводится в справочниках.
Ограничительное (гасящее) сопротивление R выбираем исходя из следующего соотношения :
В случае изменения тока нагрузки в пределах от IН МИН до IН МАКС расчет ограничительного сопротивления R проводится исходя из среднего тока нагрузки :
После расчета ограничительного сопротивление следует выбрать стандартный номинал его и проверить работу стабилизатора при изменении режима.
Режим может изменяться по следующим причинам :
а) Входное напряжение изменяется от ЕВХ МИН до ЕВХ МАКС при постоянном токе нагрузки. В этом случае стабилизация будет при условиях :
ЕВХ=ЕВХ МИН;
ЕВХ=ЕВХ МАКС;
б) Изменяется входное напряжение и ток нагрузки. Очевидно, что наихудшими вариантами в этом случае будут :
- уменьшение входного напряжения с одновременным увеличением тока нагрузки до IН МАКС,
- увеличение входного напряжения с одновременным уменьшением тока нагрузки до IН МИН.
Стабилизация будет , если :
Если хотя бы одно условие не выполняется , то необходимо сменить стабилитрон на более мощный ( с большим перепадом IСТ МИН ¸ IСТ МАКС )
и заново провести расчет.
Выбор типа стабилитрона осуществляется по справочникам , например: Справочник по полупроводниковым диодам под ред. Николаевского И.Ф.-М. : Связь , 1975.
Для облегчения выбора стабилитрона по справочникам следует помнить , что в маркировке уже есть указание на напряжение стабилизации. Так для маломощных стабилитронов КС147, КС156, КС191 номинальное напряжение стабилизации равно соответственно 4.7 В, 5.6 В, 9.1В. РМАКС для них меньше 0,3 Вт.
Аналогично можно сразу указать напряжение для более мощных стабилитронов КС433, КС456 и т.д. Оно равно соответственно 3.3 В, 5.6 В и т.д.
Для стабилитронов с номерами больше 200 и 500 напряжение стабилизации оценивается так :
КС211 UСТ = 11В, РМАКС£0,3 Вт,
КС520 UСТ = 20В, РМАКС£5 Вт.
Для стабилитронов с номерами больше 600 и 900:
КС620 UСТ = 120В, РМАКС£5 Вт,
КС680 UСТ = 180В, РМАКС£5 Вт,
КС 920 UСТ=120, В РМАКС > 5 Вт,
КС950 UСТ=150, В РМАКС > 5 Вт.
6. Выбор варикапов
Варикапы , или диоды с управляемой емкостью , используются для настройки частотно- избирательный цепей или осуществления частотной модуляции в различных системах или устройствах.
Из других параметров варикапа следует отметить добротность Q , ТКС - температурный коэффициент емкости , DС - технологический разброс емкости для варикапа данного типа. Важнейшей характеристикой варикапа является зависимость его ёмкости от обратного напряжения. В справочниках она приводится в виде графиков :
а) С=F(UОБР), или б) .
Используя эти характеристики , можно определить емкость варикапа при любом значении обратного напряжения .
В домашнем задании варикап используется для перестройки колебательного контура по классическим схемам:
а) с одним варикапом (рисунок 3.5),
б) с варикапной сборкой (рисунок 3.6).
В схеме на рисунке 3.5 эквивалентная емкость контура СЭКВ равна:
. (3.1)
Рисунок 3.5. Рисунок 3.6.
Если С0>> СВ, то СЭКВ @СВ.
В схеме на рисунке 3.6 . (3.2)
В домашнем задании задача может быть сформулирована в двух вариантах.
1. Для известного типа варикапа определить пределы перестройки колебательного контура при изменении обратного напряжения от UОБР МИН до UОБР МАКС. В этом случае по известным характеристикам варикапа CВ=F(UОБР) или CВ/CНОМ=F(UОБР) следует определить СВ МИН и СВ МАКС, а затем оценить
f0 МАКС и f0 МИН.
; .
СЭКВ МИН и СЭКВ МАКС оцениваются по формулам 3.1 или 3.2 (в зависимости от используемой схемы).
2. Задана частота настройки контура f0. Требуется выбрать варикап и определить напряжение UОБР, при котором контур настроен на требуемую частоту.
Для решения задачи вначале определим СЭКВ по формуле
.
Затем используя формулу 3.1 или 3.2 определим требуемую емкость варикапа. После этого, пользуясь справочником, выбираем подходящий варикап. Номинальная емкость искомого варикапа должна быть примерно равна СВ, требуемой для настройки на заданную частоту. После этого пользуясь графиком CВ= F(UОБР) уточняем напряжение, при котором емкость варикапа точно равна требуемой.
В случае затруднения при поиске варикапа требуемой емкости можно предложить параллельное включение двух варикапов или включение дополнительной емкости С1 (рисунки 3.7 и 3.8).
, (1)
Рисунок 3.3. Рисунок 3.4.
.
. (3.1)
. (3.2)
; 
.
.
Рисунок 3.7. Рисунок 3.8.
. Если С0>>С1+СВ, то СЭКВ@С1+СВ.