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

81046. Этапы эволюции ЕС. Правовая основа ЕС 48.21 KB
  Хартию основных социальных прав трудящихся призванную сделать более гармоничными индивидуальные и коллективные права трудящихся и закрепить уже завоеванные права. Европейское право является самостоятельной правовой системой находящейся на стыке национального права государств-членов ЕС и права международного. К функциональным принципам относятся принцип верховенства права и принцип прямого действия. Принцип верховенства права ЕС означает приоритет норм права ЕС над нормами национального...
81047. Взаимоотношения ЕС и России. Зоны противоречий ЕС-РФ 49.13 KB
  В практическом плане это должно было вылиться в сближение экономик России и Евросоюза углубление совместного сотрудничества в борьбе с организованной преступностью терроризмом незаконной миграцией а в перспективе и в отмену визового режима. По статистике на Евросоюз приходится половина объёма внешней торговли России а государстваучастники этой организации являются крупнейшими прямыми инвесторами в российскую экономику. ЕС главный для России источник современных технологий.
81048. Азиатско-тихоокеанский регион в международной системе 52.02 KB
  Развитие права норм и механизмов регулирования международных отношений в АТР как и в других регионах мира связано с такими организациями как: Ассоциация государств ЮгоВосточной Азии АСЕАН АзиатскоТихоокеанское экономическое сотрудничество АТЭС Асеановский региональный форум АРФ Шанхайская организация сотрудничества ШОС и др. Роль США в АТР АТР объединяет около 25 стран бассейна Тихого океана. Факторы повлиявшие на выделение АТР в особую зону мирового развития: передел мира после 2 ой мировой войны США становится лидером;...
81049. Внешняя политика Китайской народной республики 49.14 KB
  Документ подписали глава МИД КНР Ян Цзечи и министр иностранных дел России Сергей Лавров который находится в Китае с рабочим визитом. Таким образом между РФ и КНР окончательно урегулирована территориальная проблема переговоры по которой длились более 40 лет поставлена точка в пограничном размежевании между нашими странами и завершено юридическое оформление общей границы. Дополнительное соглашение между РФ и КНР о российско-китайской государственной границе на её восточной части было подписано в Пекине...
81050. Позиция РФ в Азиатско- Тихоокеанском регионе. Китай. Япония 53.61 KB
  Более 70 внешнеторгового оборота России с азиатскими странами приходится на государства АзиатскоТихоокеанского региона АТР. Наиболее крупными торговыми партнерами России в регионе являются Китай Япония и Республика Корея Южная Корея. Этот процесс завершил урегулирование пограничных проблем в отношениях России и КНР многолетний переговорный процесс который был начат ещё СССР и КНР в 1964 и который помимо переговоров дипломатов сопровождался ещё и кровопролитием с обеих сторон. В отношениях России с КНР важнейшей задачей на ближайшее...
81051. Многосторонние международные институты и международные организации в современных международных отношениях 41.21 KB
  Международные правительственные организации МПО членами которых выступают национальные правительства и которые создаются посредством заключения договоров между государствами. МПО выполняют роль надгосударственных образований т. МПО в зависимости от целей и членства разделяются на универсальные ООН региональные АСЕАН МЕРКОСУР ШОС и функциональные организации МАГАТЕ. В настоящее время существует свыше 300 МПО.
81052. Современная дипломатия как средство регулирования МО 40.72 KB
  съезды конференции совещания и встречиподготовка и заключение многосторонних и 2х мн договоров Участие в работе мн организаций и их органовОсуществление постоянного представительства госва за границей чз посольстваПубликация дипломатическойдокументацииОсвещение в печати позиции правительства по мн вопросамНаиболее часто встречаемые формы диплом документации письма ноты меморандумы.Формы Д:1Двусторонняя Д осуществляемая на постоянной основе через представительства одного госва на территории др2 временная Д. путем посылки в др госво...
81053. МО в Восточной Азии 41.83 KB
  Высокая динамика развития в основе которой опережающие темпы роста стран Восточной Азии их успешный диалог между собой и с внерегиональными державами могут сделать Азиатско-тихоокеанский район основным центром мирового экономического и политического тяготения подобно тому как таким центром в предшествующие эпохи была Европа. Согласно первому к АТР относят гигантский район ограничиваемый западным побережьем обеих Америк восточным побережьем Азии и зоной Австралии. При такой интерпретации в АТР включают и страны Южной Азии.
81054. МО в Южной Азии 42.3 KB
  На долю Индии приходится 734 территории ЮА 765 населения региона и около 80 валового национального продукта производимого здесь так же в военном отношении. Доминирование Индии в регионе вызывает недоверие к ней порождает ощущение угрозы их безопасности. Индия рассматривает проблему обеспечения безопасности страны в рамках всего ЮА региона = стремление защитить и упрочить доминирующие позиции Индии в ЮА. у Пакистана есть атомная бомба и он готов ее применить для обороны от Индии.