ОЕ 2014

Основними параметрами, які характеризують випрямні діоди, є

(рис. 1.1):

–максимальний прямий струм Іпрmax ;

–падіння напруги на діоді при заданому значенні прямого стру-

му Іпр (Uпр 0,3...1 В для германієвих діодів і Uпр 0,6...1,5 В – для крем-

нієвих);

–максимально допустима постійна зворотна напруга діода

Uзвmax;

–зворотний струм Iзв при заданій зворотній напрузі Uзв (зна-

чення зворотного струму германієвих діодів на два-три порядки більше,

ніж у кремнієвих);

–бар’єрна ємність діода під час подачі на нього зворотної напру-

ги деякої величини;

– найбільша допустима потужність розсіювання – допустиме значення потужності розсіювання, при якій забезпечується задана надій-

ність при тривалій роботі діода;

–діапазон частот, в якому можлива робота діода без суттєвого зниження випрямленого струму;

–робочий діапазон температур (германієві діоди працюють в ді-

апазоні -60...+70 °С, кремнієві – в діапазоні -60...+150 °С, що пояснюється малими зворотними струмами даних діодів).

Іпр,мАUпр,BUзв,B Iзв,мкА

2

перерозподілом носіїв по енергіях. Тому пряме падіння напруги зменшу-

ється при збільшенні температури.

Рис. 1.2. Вольт-амперні характеристики германієвого діода при різних тем-

пературах навколишнього середовища При великих для даного діода прямих струмах пряме падіння напру-

ги може залежати від опору бази, яка збільшується зі збільшенням темпе-

ратури через зменшення рухливості носіїв заряду. Тому при великих пря-

мих струмах пряме падіння напруги на діоді може зростати.

Зворотна гілка вольт-амперної характеристики германієвих площин-

них діодів має ділянку насичення, оскільки зворотні струми германієвих діодів пов'язані в основному з процесом екстракції неосновних носіїв з ба-

зи. Допустима зворотна напруга не перевищує 400 В. Пробій германієвих діодів має тепловий характер. Тому пробивна напруга зменшується з під-

вищенням температури.

Верхня межа діапазону робочих температур германієвих діодів

(75…85 °С) визначається різким погіршенням випрямлення через зростан-

ня зворотного струму – позначається теплова іонізація атомів германію.

Нижня межа діапазону робочих температур (-60 °С) обумовлена різницею температурних коефіцієнтів розширення германію та індію: при низьких температурах виникають механічні напруження, які можуть призвести до

4

розтріскування монокристала германія.

Германієві діоди можуть бути використані для випрямлення змінно-

го струму частотою не більше 50 кГц, що пов'язано з інерційністю проце-

сів накопичення і розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі.

Для випрямлення великих напруг за відсутності високовольтних діо-

дів може бути застосоване послідовне увімкнення низьковольтних діодів.

При цьому повинні бути враховані специфічні особливості напівпровідни-

кових діодів. Діоди одного типу мають великий розмах зворотних опорів і пробивних напруг. Крім того, зворотні вольт-амперні характеристики діо-

дів по-різному можуть змінюватися при зміні температури і з часом. Все це призводить до того, що прикладена до послідовно з’єднаних діодів напруга падає в основному на діоді з великим зворотним опором.

У результаті можливий незворотній пробій. Вихід з ладу одного з ді-

одів в послідовному колі веде до пробою інших.

Для надійної роботи послідовно увімкнених германієвих діодів ре-

комендується кожен з них шунтувати резистором постійного опору з таким розрахунком, щоб розподіл напруги на діодах визначався в основному опорами шунтуючих резисторів.

Істотним недоліком германієвих діодів є те, що вони погано витри-

мують навіть дуже короткочасні імпульсні перевантаження. Визначається це механізмом пробою германієвих діодів – тепловим пробоєм, що відбу-

вається з виділенням великої питомої потужності в місці пробою.

Кремнієві діоди. Різноманітні типи кремнієвих випрямних діодів з технологічної точки зору є або сплавними, або дифузійними. Сплавні p-n-

переходи кремнієвих діодів формують у монокристалічних пластинках кремнію з електропровідністю n-типу вплавлянням алюмінію; в пластин-

ках кремнію з електропровідністю p-типу – вплавлянням сплаву золота з сурми. Дифузійні p-n-переходи формують дифузією алюмінію або бору в

5

пластини кремнію з електропровідністю n-типу і дифузією фосфору в пла-

стини кремнію з електропровідністю p-типу.

Типові вольт-амперні характеристики кремнієвого випрямного діода наведені на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Вольт-амперні характеристики кремнієвого випрямного діода при різних температурах навколишнього середовища

Кремнієві діоди різних типів розраховані на різні допустимі прямі струми – від 0,5 до 1600 А. Падіння напруги на діодах при цих струмах не перевищує зазвичай 1,5 В. Великі падіння напруги при проходженні пря-

мого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падінням напру-

ги на германієвих діодах пов’язані з більшою висотою потенційного бар’єра p-n-переходів, сформованих у кремнії.

Зі збільшенням температури кремнієвого діода пряме падіння напруги зменшується, що пов’язано зі зменшенням висоти потенційно бар'єру і з перерозподілом носіїв заряду за енергіями.

Зворотна гілка вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів не має ділянки насичення зворотного струму, оскільки зворотний струм в кремнієвих діодах викликаний в основному процесом генерації носіїв у p- n-переході. Допустима зворотна напруга кремнієвих діодів (до 1600 В)

6

значно перевищує аналогічний параметр германієвих діодів. Пробій крем-

нієвих діодів має лавинний характер. Тому зі збільшенням температури пробивна напруга збільшується.

Верхня межа діапазону робочих температур кремнієвих діодів (приб-

лизно 125 °С) виявляється більшою аналогічного параметра германієвих діодів, оскільки ширина забороненої зони кремнію перевищує ширину за-

бороненої зони германію. Тому теплова генерація носіїв заряду в результа-

ті іонізації власних атомів напівпровідника (власна електропровідність) у

кремнієвих діодах починає позначатися при великих температурах.

Промисловість випускає кремнієві випрямні діоди малої, середньої та великої потужності, розраховані на допустимий прямий струм до декіль-

кох сотень ампер.

Контрольні питання

1.Дайте означення напівпровідникового діода.

2.За якими параметрами класифікують напівпровідникові діоди?

3.Дайте означення випрямного діода.

4.Перерахуйте основні параметри випрямних діодів.

5.Перерахуйте переваги і недоліки германієвих і кремнієвих випрямних діодів.

6.Які види пробою характерні для германієвих і кремнієвих випрямних діодів?

7.Перерахуйте методи підвищення напруги пробою випрямних діодів.

8.Чому кремнієві діоди мають великі напруги пробою і падіння напруги в прямому напрямку в порівнянні з германієвими?

9.Чим відрізняються температурні залежності ВАХ германієвих і кремніє-

вих випрямних діодів.

7

Підготовка до виконання лабораторної роботи

1. Вивчити теоретичні відомості і дати відповіді на контрольні запи-

тання.

Порядок виконання роботи

1. Зберіть схему досліджень випрямних діодів для зняття прямої гілки ВАХ германієвого діода при кімнатній температурі (рис. 1.4). При цьому перемикач П встановіть у положення 1 («Ge»), а тумблер термостата

– в положення «вимк.» (термостат Т на рис. 1.4 спрощено показаний штри-

ховою лінією). Змінюючи вхідну напругу Е, фіксуйте напругу UД на діоді і струм I через нього. Результати вимірювань занесіть у табл. 1.1.

Рис. 1.4. Схема проведення експерименту

8

Таблиця 1.1. Пряма гілка ВАХ германієвого діода

2. Зніміть зворотну гілку ВАХ германієвого діода при кімнатній температурі. Для цього змініть полярність підключення джерела живлення

(на ту, яка в дужках на рис. 1.4) і мультиметрів, що виконують функції вольтметра та амперметра. Результати вимірювань занесіть у табл. 1.2.

Таблиця 1.2. Зворотна гілка ВАХ германієвого діода

термостат

вимкнений

UД , мВ

термостат

увімкнений

термостат

вимкнений

I , мА

термостат

увімкнений

3.Встановіть перемикач П в положення 2 («Si»). Проведіть вимі-

рювання, аналогічні п. 1–2 для германієвого діода. Результати занесіть у

таблиці 1.3–1.4.

9

Таблиця 1.3. Пряма гілка ВАХ кремнієвого діода

термостат

вимкнений

UД , мВ

термостат

увімкнений

термостат

вимкнений

I , мА

термостат

увімкнений

4.Зніміть пряму і зворотну гілку ВАХ германієвого та кремнієво-

го діодів при температурі +50 ºС. Для цього увімкніть джерело живлення термостата, встановіть на ньому напругу 5 В, увімкніть термостат на 5–7

хвилин (тумблер «увімкн.»), після чого, вимкнувши термостат, проведіть вимірювання аналогічні п. 1–3. Результати вимірювань занесіть у табл.

10