Каким параметром диода определяются его частотные свойства

Общие сведения

Современные сложные электронные устройства различного назначения характеризуются высокой надежностью и малыми габаритными размерами благодаря применению в них диодов, транзисторов и интегральных микросхем (ИМС), выполняющих вполне конкретные функции.

Входящие в состав ИМС диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы оказывают влияние на свойства микросхем и при недостаточности информации об их параметрах, особенностях эксплуатации, схемах включения не обеспечивают наилучшие режимы работы электронного устройства в целом. Разброс параметров и характеристик полупроводниковых приборов и ИМС одного и того же типа, чувствительность к перегрузкам, влияние изменения температуры приводят к необходимости перед установкой в электронную схему проводить их испытание.

Полупроводниковые приборы классифицируются по функциональному назначению, мощности и граничной частоте применимости.

Измерение параметров полупроводниковых диодов

Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупроводниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготовления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рассмотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясняется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт — амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев р-п- перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспечения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определенных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами р-п-перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляется вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряжение. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напряжения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрастает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необратимым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются области с различным дифференциальным сопротивлением /?диф = A U /А/, поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При измерении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, б) следует задавать постоянный ток /пр и измерять падение прямого напряжения ?/пр. Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необходимо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Рис. 6.1. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (б) и обратной (в) ветвях

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспечивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение Unp выполняет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектрической системы.

При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 6.1, в) необходимо задаваться силой обратного тока 10^р и измерять обратное напряжение U0бр. При этом источник питания Е, которым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения обратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратного напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольтметром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на прямой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: Unp — прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока /пр; 7?диф — дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: U0^p — постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоянного обратного тока, протекающего через диод; /0бр — сила постоянного обратного тока, протекающго через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения U0gp; U0бр max — наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые параметры измеряют в определенных точках. Например, Unp, /пр, /0gp измеряют с помощью специальных измерителей параметров диодов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики /выпр(У) (рис. 6.2).

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота /гр, при которой сила выпрямленного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активноемкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряжение неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор R1 обеспечивает согласование сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила контролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Рис. 6.3. Зависимость емкости р-и-перехода от напряжения смещения

Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы емкостное сопротивление при минимальной частоте подводимого напряжения было значительно меньше сопротивления резистора R1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость ^-«-перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого напряжения (рис. 6.3).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения напряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окружающей среды +20… +50 °С, если это не оговорено особо.

Изменение температуры заметно влияет на все основные параметры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому изменению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа полученных результатов определяют максимально и минимально допустимые температуры для диода конкретного типа.

У выпрямительных диодов измеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатационные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежностью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характеризуются максимальной силой прямого тока /пр тах и обратного напряжения П0бртах, максимально допустимой мощностью Ртах, рассеиваемой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

Из-за малости обратного тока значением Р0бр обычно пренебрегают и тогда

У высокочастотных диодов измеряют практически все те же параметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измерения параметров диод должен быть защищен от воздействия электромагнитного поля.

У импульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют специальные параметры (характеризующие инерционность диодов): время восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, сопротивление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются потери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

У параметрических и умножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предельно допустимым напряжением измеряют добротность диода на заданной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабилизации.