Меню

Германиевый полупроводниковый диод имеет обратный ток

Лабораторные работы по электронике

Пример. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I0=25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R0; б) дифференциальное сопротивление r.

Решение

Найдем ток диода при прямом напряжении (U=0,1 В) по формуле

I=I0exp(qU/kT-1)=

=25∙10-6(exp(1,6∙10-19∙0,1/(1,38∙10-23∙300)-1)=1,17мА.

Тогда сопротивление диода постоянному току

R0 =U/I=0,1/(1,17×10-3)=85Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление:

откуда

r=1/(46×10-3)=21,6Ом.

Или приближенно, с учетом того, что I>>I0,

откуда

Ом.

Пример 4. В равновесном состоянии высота потенциального барьера сплавного германиевого p–n-перехода равна 0,2 В, концентрация акцепторных примесей NA в p-области много меньше концентрации доноров в ND n-области и равна 3×1014см-3. Требуется: а) вычислить ширину p–n-перехода W для обратных напряжений Uобр, равных 0,1 и 10 В; б) для прямого напряжения Uпр 0,1 В; в) найти барьерную емкость С, соответствующую обратным напряжениям, равным 0,1 и 10 В, если площадь p–n-перехода S=1 мм2.

Решение

В выражении для расчета ширины ОПЗ резкого p–n-перехода

.

По условию задачи NA .

Таким образом

Выбрав в прил. 3 значение диэлектрической проницаемости германия es , произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при Uобр =0,1 В

,

и Uобр = 10 В

.

Произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при Uпр =0,1 В

.

Найдем величину барьерной емкости, используя определение электрической емкости

.

Таким образом, величина барьерной емкости в заданном p-n–переходе при Uобр =0,1 В

,

а при Uобр = 10 В

.

Пример 5. К образцу кремния n-типа сделан золотой контакт, образующий барьер Шоттки. Падение напряжения на контакте «металл-полупроводник» j0=0,5 В. Работа выхода электронов из металла qjМ равна 4,75 эВ. Чему равна концентрация легирующей примеси в кремнии. Рассчитать величину максимального значения напряженности электрического поля в области пространственного заряда в кремнии.

Решение

Поскольку

qj =qjМ–qjп=0,5 эВ,

получим

qjп=qjМ-qj0=4,75-0,5=4,25 эВ.

Воспользовавшись рис. 4, можно записать:

qjп-qæ =(Ec-Efn),

откуда следует

Ec-Efn=4,25-4=0,2 эВ;

Efn-Ei=(Ec-Ei)-(Ec-Efn).

Таким образом,

Efn-Ei=0,562-0,2=0,362 эВ.

Теперь, используя уравнение

,

можно рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике:

n=ND=niexp(0,362/0,0258)=1,5∙1010exp(0,362/0,0258)=

=1,8∙1016см-3.

Из уравнения, приведенного в пункте 1.3.1, следует, что напряженность электрического поля в ОПЗ максимальна (Em) при U = 0. Рассчитаем вначале ширину ОПЗ при U = 0:

см,

а затем напряженность электрического поля:

В/см.

Усилительный режим работы транзистора

Рассмотрим мощность, выделяемую на транзисторе в двух возможных режимах: ключевом и усилительном. На графике мощности Pк нагрузочная прямая определяет возможные рабочие точки транзистора. В ключевом режиме мощность, выделяемая на транзисторе, соответствует точке А или В, т.е. всегда меньше максимальной возможной мощности. В усилительном режиме, когда возможно существование любых рабочих точек на нагрузочной прямой, мощность Pк может принимать и максимальное значение.

В усилительном режиме в общем случае входной сигнал может быть знакопеременным, например, синусоидальным. Переход база-эмиттер является диодным p-n переходом. Чтобы входная цепь транзистора могла работать с сигналом переменного тока, необходимо переход база-эмиттер сместить в прямом направлении, т.е. задать в базовой цепи рабочую точку по постоянному току. Относительно этого постоянного тока можно подавать в базовую цепь сигнал переменного тока, который будет усиливаться. Постоянный ток смещения базы Iсм будет определять постоянную составляющую тока коллектора в соответствии с соотношением Iк=Iб × h21Э. В усилительном режиме возможные рабочие точки находятся на нагрузочной прямой между точками А ¢ и В ¢ . Ток смещения должен выводить рабочую точку коллектора транзистора по постоянному току на середину отрезка А ¢ В ¢ , чтобы напряжение на коллекторе могло изменяться от этой середины как в сторону источника питания, так и в сторону общей точки. Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме. Для задания рабочей точки по постоянному току необходимо в базу транзистора подать ток смещения. При этом необходимо обеспечить стабильность рабочей точки коллектора транзистора по постоянному току, т.е. исключить ее смещение при изменении параметров базовой цепи, при изменении температуры и с течением времени.

Обычно рабочая точка по постоянному току соответствует максимальной мощности Pк (т.е. максимальному нагреву транзистора).

1 ВАРИАНТ.

Iсм=(Uпит-Uбэ)/Rсм.

Схема отличается простотой, но имеет существенный недостаток: рабочая точка по постоянному току не стабильна. При изменении Rсм, например, из-за температуры, Iсм изменяется. Рабочая точка на коллекторе Iк=Iсм × h21Э также может изменяться из-за изменения коэффициента усиления транзистора h21Э.

2 ВАРИАНТ.

Ток смещения можно определить по соотношению

Iсм=Uпит/2Rсм.

Эта схема обладает гораздо большей стабильностью. При изменении по какой-либо причине тока смещения базы будет меняться рабочая точка коллектора. Через цепь отрицательной обратной связи с коллектора на базу будет соответствующее воздействие на базовую цепь, уменьшающее эти изменения.

3 ВАРИАНТ.

Здесь потенциал базы

Uб @ Uбэ.

Обычно принимают, что ток Iдел через делитель напряжения из резисторов Rсм1 и Rсм2 от источника питания на порядок больше тока Iсм, т.е. задаются

Iдел=(Uпит–Uбэ)/Rсм1 » 10 × Iсм.

При этом потенциал базы Uб » 0,6В и может быть точно определен по входной характеристике транзистора исходя из требуемого тока смещения. Эта схема является достаточно стабильной. Т.к. в схеме задаётся потенциал базы (относительно общей точки), то при изменении сопротивлений Rсм1, Rсм2 они изменяются оба одновременно, их отношение меняется мало, поэтому мало изменяется потенциал базы, т.е. ток смещения.

4 ВАРИАНТ.

Это схема задания рабочей точки обладает очень высокой стабильностью. Увеличение неуправляемых тепловых токов через транзистор приводит к увеличению падения на резисторе Rэ. Это падение призакрывает транзистор, т.е. уменьшает этот ток. Аналогично схема реагирует на изменение коэффициента усиления h21Э. Обычно сопротивление резистора Rэ выбирают из условия, чтобы падение напряжения на нем от постоянного тока эмиттера не превышало 10% от напряжения питания Uпит. Чтобы сигнал переменного тока не создавал на Rэ падения и не уменьшал сигнал на нагрузке Rк, резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ. Должно выполняться соотношение:

Xс=1/ w maxCэ ® 0,

где w max=2 p fmax – максимальная частота усиливаемого сигнала.

Из этого выражения определяется емкость конденсатора Cэ.

Схема смещения по постоянному току может оказывать влияние на источник входного переменного сигнала. С другой стороны источник входного сигнала может шунтировать схему смещения, если он низкоомный. Для исключения этого источник входного сигнала и цепь смещения отделяют разделительным конденсатором Ср1. Для отделения постоянной составляющей в выходной цепи от полезной переменной составляющей, которая усилилась, так же применяется разделительный конденсатор Ср2.

Источник

Влияние температуры на ток р-n-переход

Напряжения на p-n-переходе

Сопротивления диода

Прямое напряжение на р-n-переходах

Контактная разность потенциалов

Примеры решения задач

Имеется сплавной германиевый p-n-переход с концентрацией

NД = 10 3 ∙Na, причем на каждые 108 атомов германия приходится один атом акцепторной примеси. Определить контактную разность потенциалов при температуре Т = 300 К (концентрации атомов N и ионизованных атомов ni принять равными ni = 4,4∙10 22 и 2,5∙10 13 см –3 соответственно).

Определим концентрацию акцепторных атомов

Na = N/10 8 = 4,4∙10 22 /10 8 = 4,4∙10 14 см –3 .

(N = 4,4 10 22 см –3 – концентрация атомов германия). Концентрация атомов доноров NД = 4,4 10 17 см –3 .

Контактная разность потенциалов

φк = kT/е ln(NaNД)/ni 2 = 0,0258 ln [(4,4∙10 17 ∙4,4∙10 14 )/(2,5∙10 13 ) 2 ] = 0,33 B.

Германиевый сплавной p-n-переход имеет обратный ток насыщения I = 1 мкА, а кремниевый с такими же размерами ток I = 10 –8 А.

Вычислить и сравнить прямые напряжения на переходах при Т = 293 К, если через каждый диод протекает прямой ток 100 мА.

Ток диода определим по формуле

I = I (е eU/(kT) – 1) = I (е U/ φ т – 1)

где I – обратный ток насыщения.

Для германиевого р-n-перехода

100∙10 –3 = 10 –6 (e 1,602 10 U /(1,38 10 293) –1), откуда U = 288 мВ.

Аналогично, для кремниевого p-n-перехода при I = 10 –8 А U = 407 мВ.

Германиевый диод, имеющий обратный ток насыщения I = 25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В и Т = 300 К. Определить сопротивление диода постоянному току R и дифференциальное сопротивление гдиф.

Читайте также:  График зависимости силы тока от времени для переменного тока

Найдем ток диода при прямом напряжении U = 0,l В по формуле (1)

Тогда сопротивление диода постоянному току

R = U/I = 0,1/(1,17 10–3) = 85 Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление, используя формулу

1/гдиф = dI/dU = I(e/kT)е eU / kT = 25∙10 –6 38,6 48 = 46∙10 –3 См.

Откуда гдиф = 1/(46∙10 –3 ) = 21,6 Ом.

Приближенно с учетом того, что I >> I,

1/гдиф = dI/dU = (e/kT)(I + I) ≈ I(e/kT)

Откуда гдиф ≈ kT/eI = φт/I = (1,38∙10 –23 ∙300)/1,602∙10 –19 ∙1,17∙10 –3 ) = 22 Ом.

В идеальном р-n-переходе обратный ток насыщения I = 10 –14 А при Т= 300 К и I = 10 –9 А при Т = 125 °С.

Определить напряжения на p-n-переходе в обоих случаях, если прямой ток равен 1 мА.

Из уравнения (1) имеем I/I = е eU /( kT ) .

Логарифмируя и решая это уравнение относительно U получаем

При Т = 300 К U = 0,026 ln(10 –3 /10 –14 + 1) = 0,026∙25,3 = 0,66 В.

При T = 125°С U = 0,036 ln(10 –3 /10 –9 + 1) = 0,5 B.

Такая температурная зависимость характерна для кремниевых диодов.

Определить, во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения р-n-перехода, если температура увеличивается: а) от 20 до 80°С длягерманиевого диода; б) от 20 до 150°С для кремниевого диода.

Зависимость обратного тока насыщения от температуры:

I = k∙T m e Ugo/( φ T)

где k — постоянная; Еgo = e∙Ugo – ширина запрещенной зоны при T = 0 К; (φт = kT/e – температурный потенциал).

Известно, что для германия m = 1, η = 2, Ugo = 0,785 В; для кремния

m = 2, η = l,5, Ugo = 1,21 В.

Следовательно, для германия обратный ток насыщения

I = kT 2 e –0,785/(φт) . При Т = 80 0 С, или Т = 353 К, имеем

φт = 353/11600 = 0,0304 В.

I0(Т = 80 о С) = k∙(353) 2 e –0,785/0,0304 . При T = 20°С, или T = 293 К,

φт = 293/11600 = 0,0253 В.

Тогда I0(Т =20 о С) = k(293) 2 e –0,785/0,0253 .

(I0(Т =20 о С) )/(I0(Т =20 о С) ) = (k(353) 2 e –0,785/0,0304 )/( k(293) 2 e –0,785/0,0253 ) = 263.

Для кремниевого диода I = kT 1,5 e –1,21/( 2φ T ) .

При Т = 150°С, или Т = 423 К, температурный потенциал
φт = 423/11600 = 0,0364 В;

Тогда I0(Т = 150 о С) = k(423) 1,5 e –1,21/2 0,0364 .

Tак как при температуре Т = 20 °С, или Т = 293 К, φт = 0,025 В, то

I0(Т =20 о С) = k(293) 1,5 e –1,21/(2 0,0253) .

Отношение токов (I0(Т = 150 о С) )/(I0(Т =20 о С) ) = 2568.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

05 Июн 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Полупроводниковые диоды

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

Диод в виде кристалла полупроводника

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

Прямое включение диода

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

Обратное включение диода

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Читайте также:  Чем можно понизить зарядный ток

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Вольт-амперная характеристика диода

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Пробои p-n переходов диода

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

Туннельный пробой.

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

Лавинный пробой.

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

Источник

Примеры решения задач

1.29. Германиевый сплавной р-n-переход имеет обрат­ный ток насыщения I=1 мкА, а кремниевый с такими же размерами — I=10 -8 А. Вычислите и сравните прямые на­пряжения на переходах при T=293К, если через каждый диод протекает ток 100 мА.

Решение. Ток диода определим по формуле

где I — обратный ток насыщения.

Для германиевого р-n-перехода

,

откуда U = 288 мВ.

Аналогично для кремниевого р-n-перехода при I= 10 -8 А U=407 мВ.

1.30. Кремниевый р-n-переход имеет следующие данные: ширина р-n-перехода Δ=10 -3 см, концентрация акцептор­ных примесей Na=10 19 см -3 , концентрация донорных при­месей NД=2 . 10 16 см -3 , площадь поперечного сечения пере­хода П=10 -4 см 2 , длина областей ln=10 -4 см, lp=10 -3 см, коэффициенты диффузии неосновных носителей Dp=8 см 2 /с, Dn=25 см 2 /с, концентрация собственных носите­лей заряда ni=1,5 . 10 10 см -3 . Определить: а) обратный ток насыщения I; б) прямой ток и падение напряжения на объемах р- и n-областей при прямом напряжении, рав­ном 0,65 В.

Решение. а) Поскольку Na>>NД, то обратный ток насыщения определим из выражения

=.

б) Для прямого напряжения, равного 0,65 В, ток

А.

Сопротивления объемов р- и n-областей определяем по формуле

где р — удельное сопротивление; l — длина областей; П— площадь р-n-перехода.

Удельные сопротивления можно вычислить по фор­мулам:

n>>p и Ом . см.

Следовательно, сопротивление n-области

Ом;

p>>n и Ом . см.

Следовательно, сопротивление р-области

.

При токе, равном 4 . 10 -4 А, падение напряжения на со­противлениях объемов р- и n-областей равно 1,3 . 10 -4 В.

1. 31. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I = 25 мкА, работает при пря­мом напряжении, равном 0,1В, и T=300К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R; б) диффе­ренциальное сопротивление rдиф.

Читайте также:  12v 5a блок питания постоянного тока

Решение. Найдем ток диода при прямом напряжении U=0,1В по формуле

= мА.

Тогда сопротивление диода постоянному току

R = U / I = 0,1/(1,17 . 10 -3 )= 85 Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление

См.

Ом.

или приближенно, с учетом того, что I>>I,

,

Ом.

1.32. Для идеального р-n-перехода определить: а) при каком напряжении обратный ток будет достигать 90% значения обратного тока насыщения при T=300 К; б) отношение тока при прямом напряжении, равном 0,05 В, к току при том же значении обратного напряжения.

Решение. а) Известно, что при T=300 К температур­ный потенциал

В.

.

По условию задачи

,

откуда U = (0,026)(-2,3)= — 0,06 В.

б) Определим отношение прямого тока к обратному при напряжениях 0,05 и — 0,05 В:

.

1.33. В некотором идеальном p-n-переходе обратный ток насыщения I=10 -14 А при T=300 К и I=10 -9 А при T=125 С. Определить напряжения на р-n-переходе в обоих случаях, если прямой ток равен 1 мА.

Решение. Из уравнения вольт-амперной характеристики перехода I=I(е eU ( kT ) -1) имеем

.

Логарифмируя и решая это уравнение относительно U, получаем

.

При T=300 К

В.

При T=125 0 C

В.

Такая температурная зависимость характерна для крем­ниевых диодов.

1.34. Определить, во сколько раз увеличивается обрат­ный ток насыщения сплавного р-n-перехода диода, если температура увеличивается: а) от 20 до 80 °С для герма­ниевого диода; б) от 20 до 150°С для кремниевого диода.

Решение. Зависимость обратного тока насыщения от температуры выражается следующим уравнением:

,

где k— постоянная;

Eg = eUg — ширина запрещенной зо­ны при T = 0 К;

UT =kT/e — температурный потенциал.

Известно, что для германия η=l, m=2, Ugo=0,785 В; для кремния η=2, m=1,5, Ugo=1,21 В.

Следовательно, для германия обратный ток насыщения

.

При Т=80 0 С, или Т=353 К, имеем:

UT = 353/11600 = 0,0304 В

.

При T=20 °С, или T=293 К,

В.

.

.

Для кремниевого диода

При T=150 °С, или T=423 К, температурный потенциал

В;

,

При температуре T=20 °С, или T=293 К,

UT = 293/11600 = 0,0253 В;

1.35. Идеальный диод включен в схему, изображенную на рис.1.4. Определить выходное напряжение.

Решение. Поскольку на диод подано обратное напряжение, то можно предположить, что обратное сопротивле­ние диода составляет несколько сотен килоОм или даже больше. Следовательно, можно считать, что практически все напряжение падает на диоде, т.е. Uвых=15 В.

1.36. Определить выходное напряжение в схеме, изобра­женной на рис. 1.5, если при комнатной температуре используется кремниевый диод, имеющий обратный ток насыщения I = 10 мкА.

Решение. Поскольку на диод подано прямое напряжение, то сопротивление кремниевых диодов будет пример­но равно 200 Ом или меньше, и ток в схеме будет опреде­ляться в основном сопротивлением резистора Rн = 20 кОм.

Следовательно, I = 40/(20 . 10 3 )=2 мА. Подставив это значение в уравнение для тока полупроводникового диода и решив его относительно U, получим:

мВ.

Следовательно, Uвых=5,30 . 26 мВ = 0,138 В ≈ 0,14 В.

1

.37. Определить выходное переменное напряжение Uвых схемы на рис. 1.6 , если работа происходит при комнатной температуре.

ешение. Выходное переменное напряжение будет равно переменной составляющей напряжения на диоде. Положение рабочей точки определяется постоянной состав­ляющей тока диода I≈20/(10 . 10 3 )=2 мА. Прямое дифференциальное сопротивление диода находим по формуле rдиф.пр = kTI)=26 . 10 -3 /(2 . 10 -3 )=13 Ом. Поэтому Uвых= 3 . 13/(13+10 . 10 3 ) = 3,9 мВ.

1.38. Для стабилизации напряжения на нагрузке ис­пользуется полупроводниковый стабилитрон, напряжение стабилизации которого постоянно и равно UСТ=10B. Опре­делить допустимые пределы изменения питающего напряже­ния, если максимальный ток стабилитрона Iст max = 30 мА, минимальный ток стабилитрона I ст min = 1мА, сопротивле­ние нагрузки Rн=1 кОм и сопротивление ограничительного резистора Rогр=0,5 кОм.

Решение. Напряжение источника питания

. (1.1)

Ток через нагрузку Iн определим по формуле

. (1.2)

Подставив (1.2) в (1.1), получим

.

Подставляя в эту формулу максимальное и минималь­ное значения тока через стабилитрон, получим максималь­ное и минимальное значения напряжений источника питания:

E min = 10(1+0,5) + 1*0,5 = 15,5 В;

E max = 10(1+0,5) + 30*0,5 = 30 В.

Источник



Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Общая электротехника и электроника” , страница 7

то есть дырочная составляющая на 2 порядка больше.

3. Определим напряжение для получения заданной плотности тока, воспользовавшись уравнением

, В.

22. Ток, текущий видеальном р-n переходе при большом обратном напряжении и 300К, равен 2*10 -7 А. Определить ток при прямом напряжении 0,1В.

так как при большом обратном напряжении протекает обратный ток насыщения.

При прямом напряжении 0,1В ток

.

23. Диод имеет обратный ток насыщения I = 10мкА. Напряжение, приложенное к диоду, равно 0,5 В. Найти отношение прямого тока к обратному при 300К.

Зависимость тока от напряжения

,где

I – обратный ток насыщения,

jТ – температурный потенциал, для 300К он равен 0,025В.

24. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I = 25мкА, работает при прямом смещении 0,1В и 300К. Определить сопротивление диода постоянному и переменному току (дифференциальное).

Прямой ток диода

где jТ – температурный потенциал, для 300К он равен 0,025В.

Сопротивление диода постоянному току

Дифференциальное сопротивление получим дифференцированием исходного выражения.

или

С учётом того, что I >> I можно считать, что

тогда

в нашем случае это будет

Ом, то есть упрощенной формулой можно пользоваться для оценки дифференциального сопротивления прямосмещённого p-n перехода. На практике она чаще используется в следующем виде (для 300 К):

где I берётся в мА, а результат получается в Омах.

Тогда Ом

Из анализа решений можно сделать также очень важный вывод:

сопротивление прямосмещённого p-n перехода переменному току значительно меньше, чем постоянному. Это явление очень часто используется на практике.

25. Для идеального p-n перехода определить

1). при каком напряжении обратный ток будет достигать 90% значения обратного тока насыщения при 300 К?

2). отношение тока при прямом напряжении 0,05 В к току при том же значении обратного напряжения.

1). При 300 К температурный потенциал В.

Из условия задачи обратный ток составит 0,9I.

или

В (60 мВ) (

2). отношение прямого тока к обратному при напряжениях 0,05 и -0,05 В:

, то есть примерно в 7 раз прямой ток больше обратного.

26. Видеальном p-n переходе обратный ток насыщения I = 10 -14 А при 300 К и I = 10 -9 А при 398 К (125 0 С). Определить напряжения на p-n переходе в обоих случаях, если прямой ток равен 1 мА.

Из уравнения вольт-амперной характеристики перехода

, или

, логарифмируя последнее выражение, получим

Для 300 К jТ = kT = 0,86*10 -4 *300 = 0,0258 В, а напряжение

Для 398 К jТ = kT = 0,86*10 -4 *398 = 0,0342 В и

Такая температурная зависимость характерна для Si диодов.

27. Определить во сколько раз увеличивается обратный ток насыщения сплавного p-n перехода, если

1). для Ge диода температура увеличивается от 20 0 С до 80 0 С

2). для Si диода температура увеличивается от 20 0 С до 150 0 С.

Зависимость обратного тока от температуры имеет вид:

где k1 – постоянная;

Езо = еUзо – ширина запрещённой зоны при 0 К;

— температурный потенциал;

Для Ge: h = 1; m = 2; Uзо = 0,785 В

Si: h = 2; m = 1,5; Uзо = 1,21 В.

Следовательно, для Ge обратный ток насыщения

При 80 0 С, или 353 К, имеем:

В

При 20 0 С, или 293 К, имеем:

В

отношение токов для Ge

то есть при повышении температуры с 20 0 С до 80 0 С ток в Ge диоде увеличивается почти в 300 раз.

При 150 0 С, или 433 К, имеем:

В

При 20 0 С или 293 К jТ = 0,0253 В и ток

то есть для Si диода при повышении температуры с 20 0 С до 80 0 С обратный ток насыщения увеличится почти в 3000 раз.

Источник