Главная | Обратная связь

Описание лабораторного макета.

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

Кафедра телевидения и управления (ТУ)

 

 

Утверждаю:

Зав. кафедрой ТУ

______________И.Н. Пустынский

“___”____________2008 г.

 

 

Руководство к лабораторной работе

 

"Исследование вольтамперных характеристик

полупроводниковых диодов"

 

 

по дисциплинам "Физические основы электроники",

"Электроника", "Основы функционирования систем сервиса 2/Электроника и микроэлектроника", " Электротехника и электроника (ч. 2)"

для студентов специальностей 210302, 210303, 210312, 210401, 210402, 210403, 210405, 100101, 090103, 090104.

 

 

Разработчики:

_____________

Доцент каф. ТУ Коновалов В.Ф.

_____________

Доцент каф. ТУ Шалимов В.А.

 

Томск

2008 г.

Введение.

Цель работы: исследование статических вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов, оценка статических параметров полупроводниковых диодов при прямом и обратном включении, изучение вентильных свойств диодов.

Общие положения.

2.1. Разновидности полупроводниковых диодов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре полупроводниковые диоды применяются широко для самых различных целей.

Для удовлетворения требований, предъявляемых разработчиками радиоэлектронной аппаратуры к полупроводниковым диодам, отечественная промышленность выпускает: выпрямительные диоды; стабилитроны; импульсные диоды; варикапы; смесительные диоды; светодиоды; фотодиоды; диоды Шоттки; диоды Ганна и другие типы диодов. Условные графические обозначения некоторых типов диодов приведены на рис.1.

2.2. Некоторые сведения из теории.

Физика работы p – n перехода подробно описана в [1, 2]. Поэтому воспользуемся известным выражением для вольтамперной характеристики (ВАХ) идеализированного диода. Обычно ее записывают в следующей форме:

,

где - тепловой ток диода (обратный ток насыщения);

- ток, протекающий через диод;

- величина напряжения, подключенного к переходу;

- температурный потенциал;;

– постоянная Больцмана;

– абсолютная температура;

и —коэффициенты диффузии дырок и электронов;

- площадь перехода;

- равновесные концентрации неосновных носителей в базе и эмиттере диода.

Одной из важных особенностей характеристики является очень крутая (экспоненциальная) прямая ветвь. Поэтому весьма большие прямые токи (несколько ампер и выше) получаются у полупроводниковых диодов при напряжении не более 1В, т. е. намного меньшем, чем в случае вакуумных и газонаполненных диодов. В связи с большой крутизной прямой ветви обычно удобнее задавать в качестве аргумента ток, а напряжение считать его функцией и выражение для вольтамперной характеристики идеализированного диода преобразовать к следующему виду:

.

Итак, идеализированный p-n-переход обладает вентильными свойствами. При приложении к нему напряжения, смещающего p-n -переход в прямом направлении, протекает ток, который при увеличении напряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Если приложить напряжение, смещающее p-n - переход в обратном направлении, то сопротивление его возрастет. В цепи протекает малый тепловой ток, который не зависит от приложенного напряжения уже при . На рис.2. приведена ВАХ идеализированного диода, построенная в относительных координатах. Эта характеристика не зависит от типа диода.

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики отличаются от идеализированной формы. При прямом включении существенное влияние на ход вольтамперной характеристики оказывает падение напряжения на омическом сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2-10 мА.

С учетом падения напряжения на омическом сопротивлении базы диода уравнение прямой ветви вольтамперной характеристики диода описывается уравнением

,

где - омическое объемное сопротивление базы диода.

Падение напряжения на диоде зависит от тока , протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым током . Так как у кремниевых диодов тепловой ток мал, то падение напряжения на диоде в открытом состоянии у них значительно больше, чем у германиевых (рис. 3.).

Различие в прямых напряжениях германиевых и кремниевых диодов составляет обычно 0,4В (так называемая „пятка") и сохраняется вплоть до таких малых токов [порядка нескольких ], при которых у германиевых диодов напряжение уже практически равно нулю.

При исследованиях реальных p-n-переходов наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2—3 порядка превышает тепловой ток. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в области p-n-перехода и токов утечки.

Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток , который измеряют при определенном значении обратного напряжения. У германиевых диодов . В кремниевых диодах в диапазоне рабочих температур доля теплового тока в полном обратном токе невелика: . У них обратный ток в основном определяется генерационно-рекомбинационными явлениями в p-n -переходе.

Для инженерных расчетов обратного тока в зависимости от температуры окружающей среды можно пользоваться упрощенным выражением

,

где T* - приращение температуры, при котором обратный ток удваивается (Т* » 8-10°С для германия и Т* » 6-7°С для кремния).

Характеристические сопротивления. Нелинейность характеристики диода удобно оценивать, сопоставляя его сопротивления в прямом и обратном направлениях. Как и для других нелинейных элементов, различают дифференциальные сопротивления и сопротивления постоянному току.

По вольтамперной характеристике диода можно определить для точки А на характеристике (см. рис.4.): сопротивление диода по постоянному току и дифференциальное сопротивление диода .

 

2.3. Методика снятия статических вольтамперных характеристик диодов.

 

Для снятия статических вольтамперных характеристик диодов используется схема, представленная на рис.5.

Для этой схемы можно составить систему уравнений:

,

.

Первое выражение представляет собой статическую ВАХ диода, а второе - нагрузочную прямую для диода.

Нагрузочная прямая пересекает оси координат в точках с координатами и . Решением системы уравнений является точка А с координатами и .

Изменяя в широких пределах с помощью переменного резистора R_Д ток через диод а, следовательно, и напряжение на диоде (смотри рис.6.) можно получить достаточное количество точек, по которым строится ВАХ диода.

 

Описание лабораторного макета.

Для исследования статических вольтамперных характеристик диодов используется схема, изображенная в левой части лабораторного макета (рис. 7.). С помощью переключателя П2 выбирается тип исследуемого диода. Измерение тока диода производится стрелочным миллиамперметром, включаемым в исследуемую цепь переключателем П7. Чувствительность прибора устанавливается переключателем П6.

Изменять величину напряжения на диоде можно переключателем П1, меняя величину резистора ( ) Напряжение на диоде измеряется осциллографом.

Чтобы установить максимальный ток диода равным 20÷25 мА, нужно переключатель П1 установить в положение 10 и с помощью переменного резистора (плавно) выставить требуемое значение тока и больше его не трогать.

Перечень диодов, исследуемых при проведении лабораторной работы, приведен в таблице.

Таблица
Наименование	Д1	Д2	Д3	Д4	Д5
Тип	Д9	Д18	Д7Е	КС133	КС139