11656

Исследование характеристик полупроводниковых диодов, стабилитронов, туннельных диодов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №3 Исследование характеристик полупроводниковых диодов стабилитронов туннельных диодов Цель работы: ознакомиться с принципами действия и основными параметрами диодов стабилитронов выпрямительных диодов. Приборы и принадлежности: ...

Русский

2013-04-10

105 KB

26 чел.

Лабораторная работа №3

Исследование характеристик полупроводниковых диодов, стабилитронов, туннельных диодов

Цель работы: ознакомиться с принципами действия и основными параметрами диодов, стабилитронов, выпрямительных диодов.

 Приборы и принадлежности:

1. Встроенный миллиамперметр РА2.

2. Встроенные вольтметры - PV1 и PV2.

3. Лабораторный модуль.

4. Встроенный источник питания.

3.1. Сведения из теории

3.1.1. Выпрямительные диоды

Диоды с контактом типа металл-полупроводник образуют группу точечных диодов, с контактом типа p-n-перехода – плоскостных диодов (рис. 3.1, 3.2).

В германиевых и кремниевых диодах используются монокристаллические пластинки соответствующих полупроводниковых материалов.

Точечные диоды применяются для детектирования, преобразования частоты, измерений в области высоких и сверхвысоких частот.

Плоскостные диоды применяются главным образом для выпрямления переменного тока низкой частоты и имеют значительно больший прямой ток.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость тока, проходящего через диод, от величины и полярности приложенного к нему полярного напряжения (рис. 3.3).

Прямая ветвь (в пределах правого верхнего квадранта) соответствует пропускному направлению тока и прямой полярности напряжения, а обратная  (в пределах левого нижнего квадранта) – запорному направлению и обратному напряжению.

Прямой ток достигает значительных величин при падениях напряжения на диоде 0,3 – 1 В. Обратный ток медленно увеличивается при повышении обратного напряжения, но при достаточно высоком обратном напряжении наблюдается  резкое возрастание обратного тока, обычно называемое пробоем.

При повышении температуры как прямой ток, так и обратный увеличиваются (рис. 3.3, пунктирные кривые).

Вместо графического представления ВАХ часто указывают параметры, характеризующие отдельные точки ВАХ полупроводникового  диода.

Прямой ток – это ток при определенном (обычно 1 В) прямом напряжении или прямое падение напряжения при оговариваемой величине тока.

Обратный ток – ток при определенном обратном напряжении (обычно близком к пробивному) или обратное напряжение при оговариваемой (достаточно большой) величине обратного тока.

Прямое и обратное сопротивление (рис. 3.3). Различают прямое и обратное сопротивления для постоянного тока (статические сопротивления):

и аналогичные дифференциальные (динамические) сопротивления:

.

Последние характеризуют свойство диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на большие постоянные токи и напряжения.

Дифференциальные сопротивления в общем случае существенно отличаются от сопротивлений по постоянному току (в частности, всегда ) и, кроме того, все они зависят от рабочей точки диода (от величины постоянного напряжения или тока).

Предельные эксплуатационные режимы. Для предотвращения необратимых изменений характеристик полупроводниковых диодов нормируются: диапазон рабочих температур, обратное напряжение и прямой ток, которые могут длительно действовать в цепи диода. Для выпрямительных диодов вместо последних двух величин указываются предельная амплитуда обратного напряжения и выпрямительный ток в однополупериодной схеме управления с активным сопротивлением нагрузки. Для некоторых выпрямительных диодов оговаривается предельная амплитуда выпрямительного тока.

3.1.2. Туннельные диоды

Туннельные диоды отличаются тем, что в них используется полупроводниковый кристалл с высокой концентрацией примесей – концентрация доноров в n-области в тысячи раз выше, чем у обычных диодов. Из-за этого  в  туннельном диоде получается очень тонкий p-n-переход – 0,001 мкм (у обычных диодов – до 1 мкм). Этим и обуславливается существенное отличие прохождения тока (через переход) и особенность вольт-амперной характеристики туннельного диода.

Возникновение тока в тонком p-n-переходе определяется двумя процессами: туннельным эффектом и диффузией. Туннельный эффект заключается в том, что благодаря волновым свойствам, присущим электронам, существует некоторая вероятность перехода электрона через потенциальный барьер p-n-перехода без потери энергии. Максимум туннельного эффекта наблюдается при прямом напряжении порядка 100 мВ. Кроме того, при прямом включении  p-n-переход работает также и  как обычный, т.е. выпрямительный.

ВАХ туннельного диода может быть получена суммированием кривых туннельного и диффузного токов. ВАХ туннельного диода (рис. 3.4) существенно отличается от ВАХ обычного диода (рис. 3.3):

1) не наблюдается вентильного эффекта (туннельный диод отличается высокой проводимостью и при отрицательном напряжении);

2) в области небольших положительных напряжений на ВАХ имеется участок, (1-2), который характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением и позволяет создавать особые схемы на туннельных диодах. В качестве параметров у туннельного диода используют напряжение  и ток  пика, напряжение  и ток  – впадины и напряжение раствора . (Определение напряжения раствора взять из рис. 3.4.) Указанные напряжения и токи соответствуют особым точкам ВАХ туннельного диода (точки 1-3 на рис. 3.4). Область применения туннельных диодов в настоящее время ограничена из-за большей эффективности других приборов.

3.1.3. Стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации уровня постоянного напряжения. Такой прибор представляет собой плоскостной диод, на ВАХ которого (рис. 3.5) имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока (участок 1-2).   

При превышении обратным напряжением некоторого значения  происходит лавинный пробой p-n-перехода. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением  базы, а базой называют более высокоомный слой диода, например слой n-типа) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер: при увеличении обратного напряжения носители, пролетающие через p-n-переход, выбивают в нем  валентные электроны, те, в свою очередь, разгоняясь, выбивают новые и т.д. Материалы, используемые для создания p-n-переходов стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность поля в p-n-переходе у стабилитронов значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях происходит пробой перехода. Так как мощность в режиме пробоя  получается небольшой, разогрева перехода, его температурного пробоя и разрушения перехода не происходит. При пробое наблюдается резкое возрастание обратного тока при почти неизменном уровне обратного напряжения. Это явление используется в стабилитронах. Нормальным  включением в цепь источника постоянного напряжения  является обратное.

Стабилитрон характеризуется  следующими основными параметрами:

1. Напряжением стабилизации при прохождении заданного тока стабилизации, например,  (рис. 3.5). Помимо  указывают также минимальное  и максимальное  значения постоянных токов на участке стабилизации, при которых обеспечивается заданная надежность. Превышение тока  приводит к тепловому пробою p-n-перехода. Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 11000 В, а значение минимального и максимального токов стабилизации соответственно в пределах 110 мА; 502000 мА.

2. Дифференциальным сопротивлением стабилитрона в рабочей точке на участке стабилизации , определяющим степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока через стабилитрон. На участке стабилизации обычно 0,5200  Ом.

3. Температурным коэффициентом напряжения на участке стабилизации

На рис. 3.6 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения параметрического типа на одном стабилитроне. Если входное напряжение стабилизатора  увеличивается, то это приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление  (). Избыток входного напряжения выделяется на , а напряжение  на сопротивлении нагрузки , равное  (нагрузка подключена параллельно стабилитрону), остается неизменным. При изменении сопротивления  и неизменном входном напряжении ток, проходящий через сопротивление , остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и нагрузкой, а напряжение  – неизменно.

3.2. Содержание работы

1. Снять и построить левую ветвь ВАХ стабилитрона.

2. Определить напряжение стабилизации.

3. Вычислить значение дифференциального  сопротивления стабилитрона.

4. Определить коэффициент стабилизации при двух значениях сопротивления нагрузки и сравнить его  с расчетным значением.

3.3. Порядок выполнения работы

Лабораторный модуль установить в лабораторный стенд в ячейку 4. Заземлить корпус лабораторного стенда. Ручку "Рег. " установить в крайнее левое положение. Тумблер  установить в положение 510 Ом. На встроенных измерительных приборах выставить следующие пределы измерений: РА2 – 10 мА; PV1 – 10 В; PV2 – 5 В. При увеличении тока на РА2 перейти на предел 25 мА. Включить питание лабораторного стенда и лабораторного модуля.

1. Снять левую ветвь ВАХ стабилитрона. Ручкой "Рег. " устанавливать напряжение по прибору PV2 от 1,5 до 3,5 В с интервалом в 0,5 В, затем – 3,75 В. Показания снимать с прибора РА2, данные записать в таблицу и построить график.

2. Вычислить значение динамического (дифференциального) сопротивления rg по ВАХ, пользуясь формулой

,

где  – величина изменения напряжения стабилизации при изменении тока от первоначального значения на величину .

3. Определить напряжение стабилизации.

4. Определить коэффициент стабилизации напряжения :

4.1. По параметрам схемы, пользуясь формулой:

,

где  – входное напряжение стабилизатора,  – напряжение стабилизации, =120 Ом – балансный резистор.

4.2. Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменении входного напряжения от 6 до 9 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение, равное 6 В, и измерить выходное напряжение стабилизатора с точностью до сотых долей вольта. Затем, увеличив входное напряжение до 9 В, снова измерить выходное напряжение. По результатам измерений и формуле определить искомый коэффициент стабилизации. Сравнить полученные значения коэффициента стабилизации с расчетными, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.

3.4. Контрольные вопросы

  1.  Какие характеристики  и параметры характеризуют свойства полупроводниковых диодов?
  2.  Охарактеризуйте основные группы полупроводниковых диодов.
  3.  На чем основана работа стабилитронов?
  4.  Что называется динамическим сопротивлением стабилитрона?
  5.  Как зависит коэффициент стабилизации параметрического стабилитрона от динамического сопротивления стабилитрона: коэффициент стабилизации выше, когда динамическое сопротивление больше или меньше?

3.5. Литература

  1.  Ефимчик М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоэлектроники. Минск: Изд-во БГУ, 1981. С. 98-99.
  2.  Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от транзистора до устройства. М.: Радио и связь, 1983. С. 68-72.
  3.  Гершунский Б.С. Основы электроники. Киев: Вища школа, 1977. С. 144-162.
  4.  Криштафорович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1985. С. 18-31.
  5.  Жеребцов И.П. Основы электроники. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат.  Ленингр. отд-ние, 1989. С. 38-52.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29975. ВПФ по Л.С. Выготскому. Их происхождение, свойства, генезис 57 KB
  Выготский создал культурноисторическую теорию психики человека. Иногда ее называют теорией общественноисторического происхождения высших психических функций человека. 1 измененное взаимоотношение человека и природы. 2 высшие появляются у человека произвольные: человек может заставить себя запомнить некоторый материал обратить внимание на какойто предмет организовать свою умственную деятельность.
29976. ПРОБЛЕМА СОЗНАНИЯ В ПСИХОЛОГИИ 147 KB
  Поэтому в психологии говорят о единстве сознания челка и его деятельности. Явления сознания как предмет интроспективной психологии XIX века. Существование сознания главный и безусловный факт а задача психологии – проанализировать состояния и содержание сознания предмет сознание.
29977. Классификация неосознаваемых явлений 56 KB
  Активность монад протекающая в сфере психических актов имеет различную степень сознательности: от почти полностью бессознательного до ясного и четкого сознания. Низшие уровни сознания называются малыми перцепциями их сознательная реализация получила названия апперцепции. Он сформулировал концепцию порога сознания. Порог сознания уровень психической деятельности ниже которого идеи оказываются бессознательными.
29978. Методы неосознаваемых явлений в психоанализе 55 KB
  предсознательное скрытое латентное бессознательное потенциально сознательное: может проникнуть в сознание т. бессознательное вытесненная бессознательная психика не обладает способностью проникнуть в сознание: это может только представитель вытесненной бессознательной психики. Бессознательное это место сосредоточения влечений все вытесненное из сознания как недопустимое па своей природе.Фрейда Под влиянием цензуры происходит вытеснение идеи с которой связано несовместимое желание в...
29979. Психологическая теория деятельности в отеч.психологии 56 KB
  Психологическая теория деятельности в отеч. придумал Леонтьев Психологическая теория деятельности начала разрабатываться в 20х начале 30х гг. Но главное состояло в том что авторы теории деятельности взяли на вооружение философию диалектического материализма теорию К. Этот общий философский тезис нашел в теории деятельности конкретнопсихологическую разработку.
29980. Понятие действия. Виды. Соотношение действий и Деятельности 43 KB
  Понятие действия. того результата который должен быть достигнут в ходе выполнения действия. Характеристики действия: действие включает в качестве необходимого компонента акт сознания в виде постановки и удержания цели. через понятие действия теория деятельности утверждает принцип активности точка анализа Д – субъект.
29981. Ощущения. Общая характеристика 64.5 KB
  Ощущения. Физиологическая основа ощущения. Физиологической основой ощущения является нервный процесс возникающий при действии раздражителя на адекватный ему анализатор. сигнализируют о движениях кинестетические ощущения ощущение равновесия статические ощущения.
29982. Восприятие. Общая характеристика 88 KB
  Восприятие – это отражение в сознании человека предметов или явлений при их непосредственном воздействии на органы чувств. Маклаков Восприятие включает в себя ощущение и основывается на нём. Поэтому восприятие очень часто называют перцептивной системой человека. из гештальта пр восприятие мелодии 4.
29983. Основные подходы к изучению восприятия в зарубежной психологии 57 KB
  Основные подходы к изучению восприятия в зарубежной психологии. Помимо ощущений в процессе восприятия задействован предыдущий опыт процессы осмысления того что воспринимается т. Мир восприятия состоит из: 1ощущений которые возникают когда раздражается отдельный рецептор и 2 образов памяти которые представляют собой следы прежних ощущений Если 2 ощущения повторялись совместно много раз и если затем возникает ощущение или образ памяти то сразу же появляется образ памяти другого ощущения. И для того чтобы объяснить все виды...