23042

Напівпровідникові діоди. Вольт-амперна характеристика (ВАХ)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вольтамперна характеристика ВАХ – це залежність величини струму ІД крізь pn перехід діода від величини і полярності напруги UД прикладеної до діода. Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою одержання на екрані двоканального осцилографа зображення ВАХ діода а також побудову ВАХ шляхом вимірювання деякої кількості величин струму ІД що відповідають певним величинам та полярності напруги UД і представленням результату у вигляді графіка. Залежність струму крізь діод від прикладеної до...

Украинкский

2015-02-03

83.5 KB

30 чел.

Лабораторна робота № 3

Напівпровідникові діоди

Ця лабораторна робота присвячена вивченню властивостей  напівпровідникових ДІОДІВ –  найпростіших нелінійних елементів електронних схем та вимірюванню їх вольт-амперних характеристик.

Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий прилад із одним випрямляючим електричним p-n  переходом  і двома виводами.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) – це залежність величини струму ІД  крізь p-n перехід  діода  від величини і полярності напруги UД , прикладеної до діода.

 Характериограф – прилад, який містить електронно-променеву трубку, на екрані якої можна спостерігати графіки функцій будь-яких величин, що можуть бути перетворені в пропорційні до них напруги, наприклад,   ІД(UД).

 Мета роботи – дослідження властивостей  p-n переходів  напівпровідникових діодів різних типів, набуття досвіду спостереження ВАХ діодів на екрані осцилографа. Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою   одержання на екрані двоканального осцилографа  зображення ВАХ  діода, а також  побудову  ВАХ шляхом вимірювання  деякої кількості  величин струму ІД , що відповідають  певним  величинам та полярності напруги UД і представленням результату у вигляді графіка.  

Теоретичні відомості

Найпростіша діодна структура являє собою p–n-перехід, тобто контакт двох матеріалів (найчастіше напівпровідникових), що мають різний електрохімічний потенціал (рівень Фермі). Дифузія  надлишкових носіїв заряду з одного матеріалу в інший призводить до виникнення контактної різниці потенціалів, яка в рівновазі є природним бар’єром для основних носіїв (електронів – у напівпровіднику n–типу і дірок – у напівпровіднику p–типу).

Якщо до такої структури прикласти зовнішнє електричне поле (напругу), то в колі виникне струм, який залежатиме як від полярності прикладеної напруги, так і від її величини. Залежність струму крізь діод від прикладеної до нього напруги у достатньо гарному наближенні можна описати наступною формулою:

I = A [exp(eU/mkT) - 1],        (1)

де I – сила струму крізь p–n-перехід,  e – заряд електрона, U – прикладена напруга, k – стала Больцмана, Т – температура, А і m – сталі величини.

Таким чином, якщо напругу позитивної полярності прикладено до p–області, а негативної – до n–області діода (така напруга називається прямою), то буде спостерігатися експоненційне зростання струму. Це зростання зумовлене збільшенням величини струму основних носіїв за рахунок компенсації потенціального бар’єра зовнішнім джерелом е.р.с. При зворотній полярності прикладеної напруги, починаючи зі значень U, менших за kT/e, експоненціальним членом у порівнянні з одиницею можна знехтувати. Величина струму крізь діод перестає залежати від напруги. Отже, фізичний зміст сталої А полягає в тому, що вона являє собою величину незначного зворотного струму неосновних носіїв заряду. Величина цього зворотного струму залежить від температури і ширини забороненої зони напівпровідника, яка, у свою чергу, визначає висоту енергетичного бар’єра. Значення коефіцієнта m перебуває в межах між 1 і 2 в залежності від переважання дифузійного чи рекомбінаційного прямого струму крізь перехід (для практичних розрахунків приймають m = 1,17).

Графік  вольт-амперної  характеристики (ВАХ) діода, що описується рівнянням  (1), подано на рис. 1. Діоди, що мають таку ВАХ, називають ВИПРЯМЛЮВАЛЬНИМИ і використовують у пристроях випрямлення, обмеження, детектування. Найпотужніші з них здатні працювати при значеннях прямого струму до кількох тисяч ампер і витримувати без пробою зворотні напруги в десятки кіловольт.

При великих зворотних напругах p–n-перехід "пробивається" і крізь нього протікає дуже великий струм. Існує три основних механізми пробою: теплова нестійкість, тунельний ефект і лавинне розмноження. Пробій є відновлюваним, доки теплова потужність, розсіювана на p–n-переході, не перевищує припустимої, при якій відбувається його руйнування. Ця ділянка ВАХ (рис. 2) використовується на практиці в пристроях стабілізації напруги, а діоди, що мають таку ділянку, називають СТАБІЛІТРОНАМИ.  Напругу  пробою можна регулювати технологічно (як правило,  варіюванням концентрації домішок в p- і n-областях) в широких межах – від одиниць до сотень вольт. Діоди, в яких для стабілізації напруги використовується вертикальна ділянка ВАХ в прямому напрямку, називають СТАБІСТОРАМИ. Якість роботи стабілітронів і стабісторів визначається параметром, який називається диференціальним опором rдиф (rдиф = dU/dI). Він вимірюється на спадаючій (для стабілітронів) чи зростаючій (для стабісторів) ділянці характеристики.

Якщо виготовити p–n-перехід з сильно легованого напівпровідника, то перехід стає тонким і тунельні явища будуть проявляються і на прямій гілці ВАХ. Крива, зображена на рис. 3, й ілюструє таку ситуацію. На прямій гілці виникає ділянка з від’ємним диференціальним опором. Такі діоди називаються ТУНЕЛЬНИМИ й використовуються при створенні швидкодіючих тригерів і генераторів.

У будь-якому прямо зміщеному (включеному в прямому напрямку) p–n-переході при  протіканні струму має місце рекомбінація носіїв заряду, в тому числі й випромінювальна, тобто з народженням фотонів. Випромінювально рекомбінує лише частина носіїв. І лише частина фотонів, уникнувши поглинання в самому діоді, зможе вилетіти назовні. Для створення практично придатного СВІТЛОВИПРОМІНЮВАЛЬНОГО ДІОДА необхідні матеріали з високою імовірністю випромінювальної рекомбінації. Якщо для випрямлювальних діодів використовуються переважно германій Ge і кремній Si, то для cвітлодіодів – це арсенід галію GaAs, фосфід галію GaP і потрійні напівпровідникові сполуки на їх основі, а також карбід кремнію SiC. Оскільки енергія фотонів випромінювання (колір свічення) близька до ширини забороненої зони напівпровідника, то на основі перелічених напівпровідникових матеріалів вдалося створити світлодіоди, що випромінюють у всій видимій та ближній інфрачервоній областях спектру.

Будь-який носій заряду, електрон чи дірка, народжений в області дії поля контактної різниці потенціалів, буде зараз же підхвачено цим електричним полем і викинуто: електрон – в n-область,  дірка – в p-область. Якщо електрон і дірка виникли під дією кванта світла з енергією, більшою за ширину забороненої зони, то теж саме відбудеться і з ними. На цьому ґрунтується принцип дії ФОТОДІОДА, тобто пристрою, що здійснює пряме перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну. При опроміненні фотодіода відбуваються зміни і в його ВАХ, що й показано на рис. 4.

Перелічені різновиди діодів не вичерпують усього різноманіття наявних конструкцій. Кожен з видів має специфічну вольт-амперну характеристику, яка дозволяє використовувати його за певним призначенням. Мета цієї лабораторної  роботи – вивчення ВАХ різних діодів і визначення деяких параметрів, пов’язаних з їх конкретним використанням.

Одержання ВАХ безпосередньо на екрані осцилографа можливе лише для двоканальних приладів, яким і є використовуваний у роботі осцилограф С1-83. Для цього потрібно натиснути лише дві кнопки: "II, X - Y"  режиму роботи комутатора і "X – Y" каналу синхронізації. До входу каналу I підключіть напругу, що подається на діод, а на вхід каналу II – напругу, пропорційну силі струму, про проходить крізь діод. Ще одна важлива умова – це зміна прикладеної до діода напруги повинно відбуватися достатньо швидко, щоб око не встигало слідкувати за "рисуванням" картинки на екрані, а сприймало її цілком, як зображену в книжці.

Для проведення лабораторної роботи використані: генератор гармонічних сигналів ГЗ-118, двоканальний осцилограф С1-83, аналогові або цифрові мікро-(мілі)амперметр та вольтметр, блок живлення (+15В,0,-15В), макетна плата.

Блок-схема експериментальної установки та потрібні зєднання наведено нижче.

Вхідний сигнал беруть від генератора сигналів і подаютьна макет. Вихідні сигнали подають на І та ІІ канали осцилографа. Блок живлення використовують тільки у випадку вимірювань ВАХ “по точкам” (з міліамперметром і вольтметром).  Схематичні зображення ВАХ наведені на Рис.1...Рис.4. 

Для спостереження ВАХ потрібно зібрати електричну схему, подану на рис. 5. Як джерело напруги використовується генератор гармонічних сигналів Г3-118. Оптимальна частота зміни напруги – кілька десятків герц. Небажано обирати занадто високу частоту, оскільки інерційність досліджуваного об’єкта може спотворити форму кривої на екрані. Якщо уважно придивитися до схеми, то можна помітити, що напруга, яка подається в канал I горизонтального відхилення, являє собою насправді суму напруг на діоді і резисторі R2. Оптимальне значення опору R2 становить 10 Ом. Величина опору R2 повинна бути достатньо малою, щоб падіння напруги на ньому було значно меншим за падіння напруги на діоді. Занадто мале ж значення опору є невигідним з точки зору обмеження чутливості каналу вертикального відхилення осцилографа (при розумних значеннях струму крізь діод).

Резистор R1  потрібен для обмеження струму крізь діод. Приймаючи максимальне значення струму рівним 50 мА  і враховуючи, що амплітудне  значення напруги на ВИХОДІ I генератора неперевищує 15 В, опір резистора R1 повинен бути не менше ніж:

                                            R1 = 15 : 5010–3 = 0,3103 Ом = 300 Ом

Отже, для спостереження ВАХ напівпровідникового діода (залежності струму крізь діод Ід від прикладеної до нього напруги Uд) необхідно всього три елементи: сам діод і ще два резистори. Масштаб напруги по координаті Х обирається перемикачем підсилення КАНАЛУ І, а по координаті Y – перемикачем підсилення КАНАЛУ ІІ. На екрані осцилографа маємо залежність UY від UX, де

UX = Uд + IдR2,

UY = IдR2.      (2)

Для одержання реальної ВАХ діода потрібно провести деякі елементарні перетворення над UX i UY, а саме:

Uд = UX – UY,

Iд = UY/R2.      (3)

Вольт-амперна характеристика готова. Слід лише пам’ятати, що напруга вимірюється у вольтах, а сила струму – в амперах.

Порядок виконання роботи

1. Складіть схему для спостереження на екрані осцилографа вольт-амперних характеристик діодів (характериограф). Ознайомтеся з додатком. Визначте клас, призначення та можливі характеристики запропонованих для досліджень діодів за маркуванням на них.

2. Одержите і зарисуйте вольт-амперні характеристики випрямлювальних діодів. За одержаними кривими визначте ширину забороненої зони, а за нею – напівпровідникову сполуку, на основі якої виготовлено кожен з діодів.

3. Одержите і зарисуйте вольт-амперні характеристики стабілітронів і стабісторів. Визначте напругу стабілізації та диференціальний опір кожного із запропонованих діодів на робочій ділянці.

4. Одержите і зарисуйте вольт-амперні характеристики світловипромінювальних діодів. Визначте напрям струму, при якому спостерігається найбільш інтенсивне випромінювання. Придивіться, чи немає свічення для протилежного напряму струму (за яких умов воно все ж таки спостерігається?). За вольт-амперною характеристикою розрахуйте довжину хвилі випромінювання і порівняйте з тією, що спостерігається.

5. Користуючись світлодіодною оптопарою, одержите і зарисуйте вольт-амперну характеристику фотодіода в неопроміненому і опроміненому станах. Користуючись одержаними даними, оцініть к.к.д. оптопари.

ЛІТЕРАТУРА

    1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1982.- С. 22-25.

    2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.: Мир, 1984. -Т.1.- С.26-29, 65.- Т.2.-С.512-513.

    3. Гершунский Б.С. и др. Справочник по основам электронной техники. К.: Вища школа, 1975.- С. 41-49, 224-279.

    4. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. К.: Выща школа, 1989.- С. 50-77, 89-111.

    5. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ Под общ.ред. Н.Н.Горюнова.- М.: Энергоиздат, 1982.

    6. Зи  С.  Физика полупроводниковых приборов.  М.: Мир, 1984.- Т.1, С. 69-141.

    7. Левинштейн  М.Е.,  Симин  Г.С.  Барьеры. Библиотечка "Квант". – Вып. 65. М.: Наука, 1987.

ДОДАТОК

У графічних позначеннях будь-яких діодів використовується стрілочка (трикутник), що позначає анод (позитивний електрод) і перпендикулярна лінія – катод (негативний електрод). Таким чином, стрілочка вказує прямого струму від більшого потенціалу до меншого, так що з боку стрілочки у діода завжди розташовується p-область p–n-переходу. На рис. 6 показано приклади графічного позначення діодів різного призначення на принципових схемах.

Маркування реальних  діодів здійснюється за наступним принципом. Перша буква чи цифра позначує матеріал, з якого виготовлено діод: 1 або Г – германій, 2 або К – кремній, 3 або А – арсенід галію. Цифра ставиться на виробах спецпризначення, а буква – на комерційних (загальновживаних). Другий символ – буква, що позначає призначення діода: Д – випрямлювальний, С – стабілітрон, А – тунельний,  Л – люмінесцентний (світловипромінювальний), Ц – діодний блок або міст, В – варикап, Н – діністор, У - тиристор. Потім ідуть три цифри. Перша, для випрямлювальних діодів, позначає частотний діапазон і потужність, а дві інші – номер розробки. Для стабілітронів і стабісторів вони позначають напругу стабілізації. Останній символ  –  буква (в алфавітному порядку), що відрізняє діод за одним з параметрів в даній групі (наприклад, за максимальною зворотною напругою, зовнішньому виконанню корпуса і т. п.). Наприклад:

КД103А –  кремнієвий  випрямлювальний низькочастотний діод малої потужності,

КС119А – кремнієвий стабістор з напругою стабілізації 1,9 В в металевому корпусі,

КС215Б – кремнієвий стабілітрон з напругою стабілізації 15 В в пластмасовому корпусі.

Довідкові параметри деяких діодів

Випрямлювальні діоди

Назва

Іпрям. макс, А

Uзвор. макс, В

Uпрям. макс, В

Рмакс, Вт

ГД507А

0,02

20

0,5

0,02

КД522А

0,1

50

1

0,02

КД105(А…Г)

0,3

400…800

1

0,3

КД202(А…Р)

5

50…600

1

5

КЦ106(А…Г)

0,01

2000…10000

20

0,25

Стабілітрони і стабістори

Назва

Імакс, мА

Uстаб, В

rдиф, Ом

(dU/U)/T, %/град.

2С119А

10

+ 1,9

130

0,4

КС212Б

12

12,0

24

0,1

КС175Б

18

7,5

16

0,07

КС191

15

– 9,1

10

510–4

Світловипромінювальні діоди

Назва

Імакс, мА

Довжина хвилі, нм

Інтенс-ть, мВт (мкд)

АЛ102Б

20

700

(0,1)

АЛ107Б

100

950

10

АЛ307А

20

670

(0,15)

АЛ331

20

560, 700

(0,6)

Фотодіоди

Назва

Чутливість, А/Вт

Область чутливості, мкм

ФД-3А

0,03

0,4…1,8

ФД-7К

0,1

0,4…1,1

Оптопари

Назва

Вхідний струм, мА

К.к.д. за струмом, %

Діаметр, мм

АОД101Б

20

1

2,5

АОД130А

20

1

10,0

Рис. 1. Вольт-амперні характеристики випрямлювальних діодів.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона.

Рис. 3. Вольт-амперна характеристика тунельного діода.

Рис. 4. Вольт-амперні характеристики фотодіода. Збільшення інтенсивності світла,

що потрапляє на фотодіод, призводить до зсуву усієї ВАХ вниз.

Рис. 5. Схема для спостереження на екрані двоканального осцилографа вольт-амперних характеристик діодів (характериограф).

Рис. 6. Умовні позначення деяких діодів.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75708. Комитет (комиссия) по охране труда л/х предприяти 13.12 KB
  Комитет комиссия по охране труда л х предприятия КОМИТЕТ КОМИССИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА рабочий орган управления охраной труда в организации обеспечивающий согласованные действия работодателя и работников направленные на создание здоровых и безопасных условий труда в организации Комитеты комиссии по ОТ далее К. В их состав на паритетной основе входят представители работодателей профессиональных союзов или иного уполномоченного работниками представительного органа Если в организации нет ни одной первичной профсоюзной организации то в...
75709. .ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. 15.12 KB
  Задачи функции и права комитета комиссии по охране труда л х предприятия. Комитет создается на паритетной основе из представителей работодателей и уполномоченных работниками по охране труда и осуществляют свою деятельность в целях организации сотрудничества и регулирования отношений работодателей и работников их представителей уполномоченных.Численность комитета равно удвоенной численности уполномоченных по охране труда от работников. Председателем комитета не может быть избран работник который по своим служебным обязанностям ...
75710. Виды надзора и контроля за обеспечением безопасных условий труда 16.92 KB
  Виды надзора и контроля за обеспечением безопасных условий труда. 41 в том числе право работника на здоровые и безопасные условия труда. В соответствии с Федеральным законом Об основах охраны труда в Российской Федерации Правительство Российской Федерации утвердило Положение о федеральной инспекции труда. Федеральная инспекция труда единая федеральная централизованная система государственных органов осуществляющих государственный надзор и контроль за соблюдением законодательства Российской Федерации о труде и охране труда всеми...
75711. Порядок проведения администр.-общественного контроля (трехступенчатого контроля) за соблюдением безопасности труда на лесохоз. предприятии 16.38 KB
  общественного контроля трехступенчатого контроля за соблюдением безопасности труда на лесохоз. Трехступенчатый контроль в системе управления охраной труда является основной формой контроля представителями работодателя и трудового коллектива учреждения образования за состоянием условий ибезопасности труда на рабочих местах производственных участках и цехах а также соблюдением всеми службами должностными лицами и работниками требований трудового законодательства. Он является важным фактором в системе мероприятий по оздоровлению условий...
75712. Медицинское освидетельствование работников. Предварительные и периодические медицинские осмотры 16.82 KB
  Медицинское освидетельствование работников. Работа по предупреждению производственного травматизма и профессиональной заболеваемости должна начинаться на уровне организаций с проведения предварительных при поступлении на работу а затем и периодических медицинских осмотров работников. В соответствии со статьями 213 266 и 212 Трудового кодекса РФ работодатель обязан проводить обязательные медицинские осмотры обследования отдельных категорий работников за счет средств работодателя. Медицинские осмотры обследования работников занятых на...
75713. Обязательное социальное страхование 17.43 KB
  Представляет собой систему создаваемых государством правовых экономических и организационных мер направленных на компенсацию и минимизацию последствий изменения материального и или социального положения работающих граждан а в случаях предусмотренных законодательством РФ иных категорий граждан вследствие трудового увечья или профессионального заболевания и др. В России государственное обязательное социальное страхование представлено тремя фондами: пенсионным; обязательного медицинского страхования; социального страхования; Право на...
75714. Основные понятия Закона об обязательном социальном страховании 15.58 KB
  Основные понятия Закона об обязательном социальном страховании Настоящий Федеральный закон регулирует отношения возникающие в связи с осуществлением обязательного медицинского страхования в том числе определяет правовое положение субъектов обязательного медицинского страхования и участников обязательного медицинского страхования основания возникновения их прав и обязанностей гарантии их реализации отношения и ответственность связанные с уплатой страховых взносов на обязательное медицинское страхование неработающего населения. Основные...
75715. Виды обеспечения по социальному страхованию 18.06 KB
  Страховым обеспечением по отдельным видам обязательного социального страхования являются: 1 оплата медицинскому учреждению расходов связанных с предоставлением застрахованному лицу необходимой медицинской помощи; 2 пенсия по старости; 3 пенсия по инвалидности; 4 пенсия по случаю потери кормильца; 5 пособие по временной нетрудоспособности; 6 пособие в связи с трудовым увечьем и профессиональным заболеванием; 7 пособие по беременности и родам; 8 ежемесячное пособие по уходу за ребенком до достижения им возраста полутора лет; 9 пособие...
75716. Размеры пособия по временной нетрудоспособности при несчастных случаях на производстве. Единовременное пособие. Ежемесячное пособие 17.16 KB
  Размеры пособия по временной нетрудоспособности при несчастных случаях на производстве. Ежемесячное пособие Пособие по временной нетрудоспособности в связи с несчастным случаем на производстве или профзаболеванием выплачивается за весь период временной нетрудоспособности застрахованного лица до его выздоровления или установления стойкой утраты профессиональной трудоспособности в размере 100 его среднего заработка. При направлении лиц пострадавших в связи с тяжелым несчастным случаем на производстве на санаторнокурортное лечение в период...