 |
|
Краткие сведения из теории
Лабораторная работа №1
Полупроводниковые диоды
Цель работы:
1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-n перехода.
2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.
3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.
4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе.
5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.
Краткие сведения из теории
Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор - мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 9.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:
Iпр = (Е - Uпр)/R, (9.1)
где Iпр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Uпр - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 9.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении
Iов = (Е - Uоб)/R, (рис. 9.2)
где Iов - ток диода в обратном направлении, UOB - напряжение на диоде в обратном направлении.
Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если Вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 9.1, а затем ток в схеме рис. 9.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр. Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 9.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs. И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 9.4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.
При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом, ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде.
Дифференциальное (или динамическое) сопротивление можно найти как отношение - dU/dI, или 
. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Соберите схему согласно (рис. 9.1) и включите ее. Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпp при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания. Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещении согласно формулам (9.1) и (9.2).
Эксперимент 2. Измерение тока. Соберите схему согласно (рис. 9.2) и включите схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении. Запишите показания.
Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода. Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя мультиметр в режиме омметра. Запишите показания.
Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода.
а). Прямая ветвь ВАХ. Соберите схему согласно (рис. 9.3). Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, 0 В. Запишите значения напряжения Uпp и тока Iпр диода в таблицу.
| UГ | 0,5 | ||||||
| Uпр | |||||||
| Iпр |
б). Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В, 20 В, 40 В, 70 В, 110 В. Запишите значения тока Iоб и напряжения Uоб в таблицу.
| UГ | |||||||
| Uобр | |||||||
| Iобр |
в). По полученным данным постройте графики ВАХ Iпр(Uпр) и Iобр(Uобр).
г). Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для Iпр = 0.4 мА и Iпр =0.2 мА. Ответы запишите в таблицу.
| Iпр, мА | 0,4 | 0,2 | |
| rдиф, Ом |
д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные.
е). Вычислите сопротивление диода при постоянном токе Iпр = 4 мА по формуле
Rcт= Uпp/Iпp и запишите результат.
ж). Определите напряжение изгиба. Результаты запишите. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа.
Соберите схему согласно (рис. 9.4). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите величину напряжения изгиба.
применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается
Вопросы
1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями?
3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?
4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
5. Что такое ток насыщения диода?
6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?
7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?
8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?