Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов

 

Цель работы: Исследование вольт-амперной характеристики выпрямительного диода, определение дифференциального сопротивления.

 

1. Оборудование:

1.1. Персональный компьютер компьютерного класса АТМ                        

1.2  Программа онлайн - Circuit Simulator                                                     

  

 

2. Требование при выполнении данной лабораторной работы:

2.1. Собрать схему в программе симулятор Circuit Simulator согласно рисунка 1.3 (https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html)

2.2. Первое измерение производится по указанию преподавателя, далее самостоятельно.

2.3. Результаты измерений фиксируем в таблицу 1.

2.4. По результатам таблицы строим ВАХ диода.

 

3.     Теоретический материал:

Как правило, полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет структура из двух слоев полупроводника различных типов проводимости. На внешних границах слоев формируются невыпрямляющие (омические) контакты, выводы от которых используются для подключения диода в электрическую цепь. Область раздела слоев полупроводника представляет собой зону, обедненную свободными носителями зарядов, так называемый p-nпереход.

В тоже время существуют полупроводниковые диоды, состоящиеиз одного слоя полупроводника (диоды Ганна), содержащие выпрямляющий контакт полупроводник–металл (диоды Шоттки) или имеющие несколько слоев полупроводника с разными свойствами (p-i-nдиоды).

Вывод от «p» слоя полупроводника в диоде сp-nпереходом называется анодом, а соответствующий вывод от «n» слоя – катодом. Условная структура полупроводникового диода и его обозначение на принципиальных схемах представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура и условное обозначение полупроводникового диода.

При подаче на анод отрицательного, а на катод положительного напряжения, основные носители (дырки в p и электроны в n полупроводнике) оттянутся к внешним краям диода, и ширина p-n перехода возрастет. В идеале при этом ток через диод должен отсутствовать, так как свободных носителей внутри p-n перехода нет. Сам переход в данной ситуации выполняет роль изолятора, а диод можно представить в виде конденсатора, обкладками которого служат слои полупроводника, а диэлектриком – p-n переход.

При уменьшении запирающего (обратного) напряжения толщина перехода будет уменьшаться, а при смене полярности и некоторой величине прямого (отпирающего) напряжения она станет равной нулю, и области с большими концентрациями свободных носителей сомкнутся. Через диод потечет прямой ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и свойств полупроводниковых материалов.

В реальных диодах при запирающем (обратном) напряжении протекает не равный нулю обратный ток (I _обр) и, увеличивающийся с ростом этого напряжения. Данный ток можно представить в виде совокупности трех составляющих:

I обр = I _О + I _Т + I _У         (1.1)

где I _О – ток насыщения (тепловой ток), обусловленный наличием неосновных носителей – дырок в «n» полупроводнике и электронов в «p» слое; I _Т – ток термогенерации, связанный с появлением в зоне p-n перехода свободных носителей (генерацией электронно-дырочных пар), количество которых пропорционально температуре и объему перехода (величине обратного напряжения); I _У – ток утечки, обусловленный конечным значением сопротивления поверхности полупроводника, он также пропорционален запирающему напряжению. При малых обратных напряжениях и небольших температурах I обр ≈ I _О.

В реальных полупроводниковых диодах при достижении обратным напряжением некоторой величины наступает пробой p-nперехода, что вызывает резкое увеличение обратного тока. Пробой может быть обусловлен либо квантовомеханическими туннельными эффектами, лавинообразным ростом неосновных носителей из-за большой напряженности электрического поля в объемеp-nперехода, или из-за роста температуры полупроводника, вызывающей рост тока I _Т, дальнейший разогрев диода и т.д.

В первых двух случаях пробой называется электрическим, а в третьем – тепловым. Электрический пробой является обратимым, то есть при снятии обратного напряжения, вызвавшего пробой, p-n переход восстанавливает свои свойства. Тепловой пробой необратим и вызывает разрушение p-n перехода (расплавление его). Для того чтобы электрический пробой не перешел в тепловой количество выделяющегося в зонеp-nперехода тепла должно быть меньше рассеиваемого. Это можно реализовать ограничив ток пробоя каким-либо внешним элементом. В режиме электрического пробоя диод может находиться достаточно длительное время, при этом величина падения напряжения на нем очень слабо связана с величиной тока пробоя, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из разных материалов.

У реальных диодов величина обратного тока зависит от материала полупроводника. Для кремниевых диодов I_обр при комнатной температуре имеет порядок единиц-десятков микроампер, для германиевых – сотни микроампер, миллиамперы. Напряжение пробоя определяется характеристиками полупроводниковых материалов и может лежать в пределах от единиц вольт до киловольт.

Величина прямого тока через диод связана с приложенным напряжением следующим образом:

, ,       (1.2)

где – ток насыщения; – прямое напряжение; – температурный потенциал; – постоянная Больцмана; – заряд электрона; – абсолютная температура. (К=1,38*10^-23 ДЖ/К)

При температуре =25мВ. Из соотношения (1.2) следует, что для прямых напряжений порядка одного вольта ток через p-n переход может достигать значений десятков и сотен ампер. При подаче одного и того же прямого напряжения через германиевый диод будет протекать больший ток, чем через кремниевый. Это объясняется соответствующей разницей ширины запрещенной зоны этих полупроводников.

Зависимость обратного тока p-n перехода от напряжения описывается тем же соотношением, но напряжение U имеет отрицательный знак. На приведенных вольтамперных характеристиках (ВАХ) диодов, масштабы токов и напряжений прямой и обратной ветвей для наглядности выбраны различными.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

R_ДИФ= dU/dI ≈ ∆U/∆I

 

 

Ход работы

4.1. Собрать схему, изображенную на рисунке 1.3 в программе Circuit Simulator. R=1К.

 

R

A

VD

V

+

 

Рис. 1.3 Схема для измерения ВАХ выпрямительного диода.

 

Для набора схемы в программе необходимо выполнить следующую операцию. После старта программы, в меню выбираем пункт Пустая схема. После чего производим набор заданной схемы.

 

Рис. 1.4. Меню программы симулятора

 

Рис. 1.5. Вид лабораторной схемы в программе симулятор.

 

4.2.  В свойстве диода выбираем тип 1N4004. Напряжение меняем в свойстве источника питания. Значения соответствуют таблице. После каждого изменения нажимаем кнопку Start и записываем показания измерительных приборов.

4.3. Рассчитать дифференциальное сопротивление диода. Результаты занести в таблицу 1.

 

Входное напряжение, UВХ, В	Падение напряжения на диоде, UVD, В	Падение напряжения на нагрузке, UR, В	Сила тока в цепи, I, А	Дифференциальное сопротивление диода, RД, Ом
-2
-1
0	0	0	0	0
1
1,5
2
3
4
5
8
10

 

4.4. По данным таблицы 1 построить вольтамперную характеристику диода.

5 Сделать выводы.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему измерения ВАХ.

3. Таблицу экспериментальных и расчетных данных.

4. График вольтамперной характеристики, полученной в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам расчета и эксперимента

 

Лабораторное занятие №2

Исследование стабилитронов

 

Цель работы: Построение обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации.

 

1. Оборудование:

1.1. Персональный компьютер компьютерного класса АТМ                        

1.2  Программа онлайн - Circuit Simulator  

 

2. Требование при выполнении данной лабораторной работы:

2.1. Собрать схему в программе симулятор Circuit Simulator согласно рисунка 1.3 (https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html)

2.2. Преподаватель указывает на выполняемые операции (какие измерения будут производиться).

2.3. После фиксации измерения необходимо заполнить таблицу 1.

 

3. Теоретический материал:

Iст.мин

Iст.норм

Iст.макс

Iстаб

Uобр

Uст.макс

Uст.норм

Uст.мин

∆Uст

∆Iст

Стабилитроном называют кремниевый полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет участки малой зависимости напряжения от тока (рис. 2.1).

 

Рисунок 2.1.  Вольтамперная характеристика стабилитрона

На обратной ветви таким участком является участок D-F. При значительных изменениях напряжения U_обр напряжение на стабилитроне изменяется незначительно от Uст.мин до Uст.макс. При этом обратный ток через стабилитрон изменяется от Iст.мин до Iст.макс. На участке D-F стабилитрон работает в режиме неразрушающего электрического пробоя; при этом электрический пробой в тепловой не переходит. Он наступает на участке F-H.

Основными параметрами стабилитронов являются: Uст.ном ‑ номинальное напряжение стабилизации, соответствующее номинальному току стабилизации Iст.ном; ∆Uст ‑ разброс напряжения стабилизации – это интервал напряжения стабилизации Uст, в пределах которого оно находится

∆Uст = Uст.макс - Uст.мин    

.

∆Iст ‑ интервал тока стабилизации

∆Iст = Iст.макс - Iст.мин 

 

Где Iст.макс ‑ максимально допустимый ток стабилизации, при превышении которого наступает разрушающий тепловой пробой (точка F на рис. 2.1);

Iст.мин ‑ минимально допустимый ток стабилизации, ниже которого сопротивление стабилитрона Rст резко возрастает и уменьшается Uст (точка D на рис. 2.1);

Rдиф ‑ дифференциальное сопротивление, определяющее стабилизирующие свойства стабилитрона и показывающее, в какой степени Uст зависит от Iст

.

Определение дифференциального сопротивления стабилитрона производится путём построения треугольника в районе точки E с Uст.ном. Чем меньше размеры треугольника DFG (рис.2.1), тем точнее определяется Rдиф. Треугольник, с помощью которого вычисляются нужные параметры на вольтамперных характеристиках, называется характеристическим.

В первом квадранте ВАХ на рис 2.1 приведена прямая ветвь стабилитрона. Видно, что при значительных изменениях прямого напряжения Uпр ‑ прямое напряжение на диоде изменяется незначительно от Uпр.мин до Uпр.мкс, при этом прямой ток через диод изменяется от Iпр.мин до Iпр.макс. Дифференциальное сопротивление диода при прямом включении вычисляется с помощью характеристического треугольника ACI (рис. 2.1)

.

Диоды, обладающие малой зависимостью Uпр от Iпр, применяются для стабилизации малых сопротивлений и называются стабисторами.

Стабилитроны применяются для стабилизации напряжения в широких приделах. Стабилизаторы напряжения на основе стабилитронов называются параметрическими стабилизаторами (рис. 2.2).

Рисунок 2.2.  Схема параметрического стабилизатора напряжения

Основным параметром параметрического стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации Kст, представляющий отношение относительного изменения входного напряжения Uвхк относительному изменению выходного напряжения Uн

.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис. 2.3). Ток Iст  стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R

І_ст = (Е – U_ст)/R,

где Е ‑ напряжение источника питания.

Напряжение стабилизации Uст стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Р_ст вычисляется как произведение тока Iст на напряжение Uст

Pст = Iст * Uст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

 

 

Ход работы

4.1. Собрать схему, изображенную на рисунке 2.3. Марка стабилитрона по умолчанию (диод Зендера), R_огр = 100 Ом, R_нагр=1К.

 

A

VD

V2

+

Rогр

Rнагр

V1

 

 

Рис. 2.3. Схема для измерения ВАХ стабилитрона (параметрический стабилизатор).

Рис. 2.4. Вид схемы в программе Circuit Simulator

 

4.2. По заданным значениям входного напряжения зафиксировать показания измерительных приборов в таблице 1.

4.3. Определить напряжение стабилизации выбранного стабилизатора. Результат занести в таблицу 1

 

Входное напряжение, UВХ, В	Падение напряжения на стаб-не, UVD, В	Сила тока в стабил-е, I, А	Напряжение стабилизации
0	0	0
1
3
5
6
7
8
9
10

 

4.4. По данным таблицы 1 построить вольтамперную характеристику диода.

 

4.5. Сделать выводы.

 

 

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему параметрического стабилизатора.

3. Таблицу экспериментальных и расчетных данных.

4. График вольтамперной характеристики, полученной в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам расчета и эксперимента

Лабораторное занятие № 3