mai50.pdf

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Лабораторная работа

«Изучение характеристик и моделей

полупроводниковых диодов»

Москва, 2006 г.

В основе идеализированной модели диода для большого сигнала ле-

жит модель p-n перехода, представленная эквивалентной схемой (см. ри-

сунок 1.)

Рисунок 1.

На схеме диод VD моделируется ВАХ, описываемой формулой

I=I 0 [exp(u/φ T ) – 1] , где I 0 – тепловой ток; u –напряжение на переходе ;

φ T = кТ/q – тепловой потенциал; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная

температура; q – заряд электрона; φ T = 0,026 В при Т = 300 К.

В идеализированной модели диода сопротивление r Б моделирует со-

противление области диода с низкой концентрацией примесей (базы), а

также может учитывать сопротивление омических контактов между ме-

таллическими выводами диода и полупроводниковыми областями. Кон-

денсатор С бар моделирует барьерную емкость, а С дф – диффузионную ем-

кость p-n перехода.

Диод VD и сопротивление базы r Б являются статическими парамет-

рами, а барьерная С бар и диффузная С дф емкости – динамическими пара-

метрами диода.

Идеализированная модель диода с p-n переходом может приводить к

значительным ошибкам расчета ВАХ при больших прямых токах, так как

не учитывает эффект модуляции сопротивления базы, который заключает-

ся в снижении r Б с ростом величины прямого тока из-за увеличения числа

носителей заряда в базе за счет инжекции их из эмиттера.

В модифицированной модели диода для учета данного эффекта ВАХ

диода VD задается формулой

I=I 1 0 [exp(u/m·φ T )-1],

где m – коэффициент, обычно имеющий диапазон значений в пределах

1…3 и в общем случае зависящий от диапазона изменения тока, в котором

должно производиться моделирование. Параметр I 1 0 не совпадает с тепло-

вым током I 0 . Сопротивление r Б (в схеме r Б = r Б0 ) является формальным па-

раметром модели диода и не совпадает с сопротивлением базы (в частно-

сти возможно r Б0 = 0). Все три параметра I 1 0 , m, r Б0 определяются из усло-

вия наилучшего совпадения расчетной ВАХ с экспериментальной.

Динамические параметры зависят от напряжения u на диоде VD.

Диффузионная емкость существенна при прямом напряжении и мо-

жет быть выражена через ток диода

эф

дф I

где τ эф – эффективное время жизни неосновных носителей заряда в базе

диода. Оно определяется экспериментально на специальной установке (ри-

сунок 2).

Рисунок 2.

От генератора импульсов (ГИ) на исследуемый диод VD1 через то-

коограничительное сопротивление R1 и вспомогательный быстродейст-

вующий диод VD2 (с пренебрежимо малым по сравнению с VD1 временем

восстановления обратного сопротивления) поступают положительные им-

пульсы напряжения с амплитудой U ги . Изменение напряжения на диоде

VD1 во времени U VD1 (t) наблюдаются на осциллографе (рисунок 4).

В момент времени t 1 подается импульс напряжения и через некото-

рое время устанавливаются на диоде ток и напряжение, определяемые ста-

тическим режимом. В момент времени t 2 напряжение на генераторе падает

до нуля и начинается переходной процесс снижения напряжения на диоде

VD1 . Диод VD2 практически мгновенно запирается, отключая генератор

импульсов от диода VD1. Ток через диод VD1 скачком уменьшается на ве-

личину I пр = U ги / R1, а напряжение на диоде U VD1 скачком уменьшается на

величину ΔU = r Б ·U ги /R 1 . Следовательно, сопротивление базы может быть

определено не только из статических характеристик, но и из импульсных

измерений при известных U ги и R 1 . При t 2 <t<t 3 напряжение на диоде оста-

ется прямым и медленно уменьшается за счет рассасывания накопленных в

базе неосновных носителей заряда. Эффективное время жизни носителей

заряда в базе диода определяется по формуле

τ =

эф

где δU и δt находятся в соответствии с рисунком 4.

При t>t 3 диффузная емкость уменьшается, основной становится

барьерная емкость, и процесс разряда резко увеличивается.

Измерение барьерной емкости происходит на специальной установ-

ке.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Получите исследуемый диод, укажите в отчете его тип.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ

ИДЕАЛИЗИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ

1. Определить дифференциальное сопротивление диода при прямом

токе I 1 =1 мА.

Ручками управления

HOR.

VOLTS/DIV " и

VERT.

CURRENT/DIV " на характериографе установить масштабы: 0,1 В/дел, 0,2

мА/дел . С помощью ручек управления горизонтальным и вертикальным

отклонением луча установить нулевую яркостную точку ВАХ, соответст-

вующую нулевому напряжению на диоде, в левый нижний угол коорди-

натной сетки экрана.

Зарисовать на миллиметровке ВАХ в диапазоне токов от 0 до 2 мА.

Центральная горизонтальная шкала экрана с мелкими делениями соответ-

ствует току I 1 =1 мА. По ней произведите отсчет напряжения U 1 . Ручкой

управления вертикальным отклонением луча сместить изображение вверх

на одно деление (0,2 мА ), зарисовать на той же миллиметровке смещен-

ную ВАХ, и по центральной горизонтальной линии измерить изменение

напряжения Δ U.

Рисунок 3.

Если Δ U мало (менее 0,02 В), то возможна большая ошибка в расче-

тах r диф1 . В этом случае рекомендуется увеличить Δ I , смещая изображение

вверх не на одно, а на два деления (в этом случае Δ I =0,4 мА). Тогда

r диф1 = Δ U/ Δ I.

Найти сопротивление базы r б1 = r диф1 –( ϕ Т / I 1 ) , где ϕ Т =0,026 В - теп-

ловой потенциал при Т =300 К. Полученное значение r диф1 = r б1 приблизи-

тельно равно r б идеализированной модели диода.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: