37006

Побудова вольт-фарадної характеристики варикапа. Напівпровідникові діоди

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дослідження напруги і струму діода при прямому і зворотньому зміщенні рн переходу. Побудова та дослідження вольтамперної характеристики ВАХ напівпроводнікового діода. Дослідження опору діода при прямому і зворотньому зсуві по вольтамперній характеристиці. Короткі теоретичні відомості Для дослідження напруги та струму діода при прямому і зворотному зсуві рн переходу досить мати універсальний прилад мультиметр.

Украинкский

2015-02-03

351.5 KB

20 чел.

Лабораторна робота № 1

Напівпровідникові діоди

 1.Мета роботи:

1. Дослідження напруги і струму діода при прямому і зворотньому зміщенні р-н переходу.

2. Побудова та дослідження вольт-амперної характеристики (ВАХ) напівпроводнікового діода.

3. Дослідження опору діода при прямому і зворотньому зсуві по вольт-амперній характеристиці.

4. Побудова вольт-фарадної характеристики варикапа.

  1.  Короткі теоретичні відомості

Для дослідження напруги та струму діода при прямому і зворотному зсуві р-н переходу досить мати універсальний прилад - мультиметр. За допомогою цього приладу можна зняти вольт-амперну характеристику (ВАХ) діода або будь-якого іншого нелінійного двополюсника. Найпростіше в цьому випадку вимірювати напругу на діоді у схемі, що показана на малюнку 1.1, під'єднуючи до діода через резистор джерела напруги різної величини.

Рисунок 1.1-Схема вимірювання напруги на діоді

Струм діода при цьому можна визначити з виразу:

                             Iпр= (1.1)

 

де Iпр - струм діода в прямому напрямку, Е - напруга джерела живлення, Uпр - напруга на діоді в прямому напрямку. Змінивши полярність включення діода в тій ж схемі (малюнок 1.1), можна зняти ВАХ діода за тією ж методикою і у зворотньому напрямку

Iоб=(1.2)

 

де Iоб - струм діода у зворотному напрямку, Uоб - напруга на діоді у зворотньому напрямку. Точність при таких вимірюваннях  не висока через розкид  опорів у резисторів одного номіналу. На малюнку 1.2 показана схема вимірювання струму діода. Для отримання більш точної характеристики при використанні тільки одного мультиметра, необхідно спочатку виміряти напругу в схемі на рисунку 1.1, а потім струм в схемі на рисунку 1.2. При цьому можна користуватися, як і раніше, тільки мультиметром, підключаючи його один раз як вольтметр, а другий раз  як амперметр.

Малюнок 1.2-Схема вимірювання струму діода

Набагато швидше можна виконати цю роботу, якщо використовувати і вольтметр, і амперметр. Тоді, включивши їх за схемою, яка зображена на малюнку 1.3, можна одночасно бачити струм і напругу на таблі цих приладів.

Малюнок 1.3-Схема для зняття ВАХ діода

Вольт-амперна характеристика може бути отримана шляхом вимірювання тиску на діоді при протіканні різних струмів за рахунок зміни напруги джерела живлення Vs. Схема для дослідження ВАХ діода за допомогою осцилографа показана на малюнку 1.4

Малюнок 1.4-Схема для дослідження ВАХ діода з допомогою осцилографа

При такому підключенні координата точки по горизонтальній осі осцилографа буде пропорційна напрузі, а по вертикаліструму через діод. Оскільки напруга у вольтах на резисторі R2 чисельно дорівнює струму через діод в амперах (I   U), то по вертикальній осі можна безпосередньо зчитувати значення струму. Якщо на осцилографі обраний режим В / А, то величина, пропорційна струму через діод (канал В), буде відкладатися по вертикальній осі, а напруга (канал А) - по горизонтальній. Це і дозволить отримати вольт-амперну характеристику безпосередньо на екрані осцилографа.

При отриманні ВАХ діода за допомогою осцилографа на канал А замість точної напруги на діоді подається сума напруги діода і напруги на резисторі R2. Помилка через це буде мала, оскільки падіння напруги на резисторі буде значно менше, ніж напруга на діоді. Через нелінійності діода його не можна характеризувати величиною опору, як лінійний резистор. Відношення напруги на діоді до струму через нього , має назву статичнимй опір і залежить від величини струму. У ряді застосувань на постійну складову струму діода накладається невелика перемінна складова (зазвичай при цьому говорять, що елемент працює в режимі малих сигналів). У цьому випадку інтерес представляє диференційний (або динамічний) опір . Величина динамічного опору залежить від постійної складової струму діода, яка визначє робочу точку на характеристиці.

Побудова вольт-фарадної характеристики варикапа.

Напівпровідниковий діод, дія якого заснована на використанні залежності бар'єрної ємності Сбар від значення прикладеної зворотної напруги назиється варикапом. Це дозволяє застосувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.

Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика - залежність бар'єрної ємності від значення прикладеної зворотної напруги. Схематичне зображення варикапа і його вольт-фарадна характеристика наведені на малюнку 1.5.

Малюнок 1.5 - Схематичне зображення варикапа і його вольт-фарадна характеристика

У варикапах, які випускаються промисловістю, значення ємності може змінюватися від одиниць до сотень пікофарад. Основними параметрами варикапа є:  Св - ємність, яка виміряна між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі; Кс - коефіцієнт перекриття по ємності, які використовуюся для оцінки залежності     і рівний відношенню ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотної  напруги . Варикапи застосовуються як конденсатори з керованою ємністю. Їх ділять на будівельні і помножувальні, або варактори. Будівельні варикапи використовують для зміни резонансної частоти коливальних систем.

Для отримання вольт-фарадної характеристики можна використовувати схему ємнісного дільника з діодом, яка показана на малюноку 1.6

Малюнок 1.6-Схема ємнісного дільника з діодом

1.2 Порядок проведення експериментів

Експеримент 1. Вимірювання напруги і струму через діод.

Побудувати схему по малюнку 1.1 і включити. Мультиметр покаже нанапругу на діоді Uпр при прямому зміщенні. Якщо перевернути діод і запустити схему, то мультиметр покаже напругу на діоді Uоб при зворотньому зміщенні. Запишіть показники в розділ "Результати експериментів". Обрахуйте струм діода при прямому і зворотньому зсуві за формулами (1.1) і (1.2).

Експеримент 2. Вимірювання струму.

Побудувати схему по малюнку 1.2 і включити. Мультиметр покаже струм діода Iпр при прямому зміщенні. Переверніть діод і знову запустіть схему. Мультиметр покаже струм Iоб діода при зворотному зміщенні. Запишіть покази в розділ "Результати експериментів".

Експеримент 3. Вимірювання статичного опору діода.

Виміряйте опір діода при прямому і зворотньому підключенні, використовуючи мультиметр в режимі омметра. Малі значення опору  відповідають прямому підключенню.

Експеримент 4. Зняття вольт-амперної характеристики діода.

а) Пряма гілка ВАХ. Побудувати схему по малюнку 1.3 і включити. Послідовно встановлюючи значення ЕРС джерела рівними 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В.

 Запишіть значення напруги Uпр і струму Iпр діода в таблицю а) розділу "Результати експериментів".

б) Зворотня гілка ВАХ. Переверніть діод. Послідовно встановлюючи значення ЕРС джерела рівними О В, 5 В, 10 В, 15 В. Запишіть значення струму Iоб і напруги Uоб в таблицю б) розділу "Результати експериментів".

в) За отриманими даними побудуйте графіки Iпр =F (Uпр) і Iоб = F (Uоб).

г) Побудуйте дотичну до графіка прямої гілки ВАХ при Iпр = 4 мА і оцініть диференціальний опір діода по нахилу дотичній. Виконайте ту ж процедуру для Iпр = 0.4 мА і Iпр = 0.2 мА. Відповіді запишіть у розділ "Результати експериментів".

д) Аналогічно пункту г) оцініть диференціальний опір діода при зворотній напрузі 5 В і запишіть експериментальні дані в розділ "Результати експериментів".

е) Обчисліть опір діода на постійному струмі Iпр = 4 мА за формулою , занесіть результат в розділ "Результати експериментів".

ж) Визначте напругу вигину. Результати занесіть в розділ "Результати експериментів". Напруга вигину визначається з вольт-амперної характеристики діода, який зміщений в прямому напрямку, для точки, де характеристика зазнає різкий вигин.

Експеримент 5. Отримання ВАХ на екрані осцилографа.

Побудувати схему згідно малюнка 1.4 і включити. На ВАХ, що з'явилася на екрані осциллографа, по горизонтальній осі зчитується напруга на діоді в мілівольтах (канал А), а по вертикалі - струм у міліамперах (канал В, 1 мВ відповідає 1 мА). Зверніть увагу на вигин ВАХ. Виміряйте і запишіть в розділ "Результати експериментів" величину напруги вигину.

Експеримент 6. Побудова характеристики варикапа.

Використовувати схему ємнісного дільника з діодом малюнок 1.6 (Pics 04 \ 4-4-3.са4). Змінюючи напругу Uс джерела зсуву в схемі і вимірюючи мультиметром напругу Uo, за допомогою формули (1.3) знайти залежність бар'єрної ємності діода від напруги Uс. Отримані значення занести в таблицю і побудувати графік  . Uс - напруга генератора, Uo - напруга, яка знімається з мультиметра.

Б) Ознайомитися із схемою характериографа для отримання ВАХ діода (Pics 04 \ 4-7-4.са4).

Ci=(1.3)

 2

Необхідно враховувати, що мультиметр вимірює ефективне значення напруги, яке для синусоїдного сигналу становить 0,707 від амплітудного, 0,578 - для трикутного, 1 - для меандру.

1.3 Результати експериментів

Експеримент 1. Вимірювання напруги і обчислення струму через діод. Виміряйте і запишіть напруги на діоді:

Напруга при прямому зміщенні Uпр =

Напруга при зворотному зміщенні Uобр =

Обчисліть:

Струм при прямому зміщенні Iпр =

Струм при зворотному зміщенні Iобр =

Експеримент 2. Вимірювання струму.

Виміряйте і запишіть:

струм при прямому зміщенні Iпр =

струм при зворотному зміщенні Iобр =

Експеримент 3. Вимірювання статичного опору діода.

Виміряйте і запишіть:

Опір діода при прямому зміщенні Rпр =

Опір діода при зворотному зміщенні Rоб =

Експеримент 4. Зняття вольт-амперної характеристики діода.

Обчисліть і запишіть струми і напруги.

а) Пряма гілка ВАХ

б) Зворотня гілка ВАХ

в) Побудувати графіки ВАХ.

Пряма гілка ВАХ. Зворотня гілка ВАХ.

г) Обчислити по ВАХ диференційний опір діода при прямому зміщенні

Rдиф, при Iпр = 4мА

Rдиф, при Iпр = 0,4 мА

Rдиф, при Iпр = 0,2 мА

д) Обчислити за ВАХ диференційний опір діода при зворотньому зміщенні

Rдиф, при Uобр = 5В

е) Обчислити R при Iпр = 4 мА , R =

ж) Виміряти напругу згину, отриману з ВАХ: Uзг =

Експеримент 5. Отримання ВАХ на екрані осцилографа.

Отримати графік ВАХ на екрані осцилографа.

Виміряти напругу згину, отриману  із ВАХ, Uзг =

 Експеримент 6. Побудовати вольт-фарадну характеристику варикапа.

Записати виміряні і обчислені значення в таблицю.

По таблиці побудувати графік залежності Сі = F (Uс)

1.4. Контрольні питання

1. У чому полягає особливість електропровідності напівпровідників? Пояснити за допомогою енергетичних діаграм металу, напівпровідника, діелектрика.

2. У чому відмінність напівпровідників з електронною та дірковою електрпровідностю? Які струми протікають в напівпровідниках?

3. Яка структура р-н переходу? Пояснити електричні процеси, що відбуваються за відсутності зовнішньої напруги.

4. Які процеси відбуваються при прямому і зворотному включенні р-н переходу? Показати за допомогою діаграм.

5. Привести ідеалізований математичний опис характеристики переходу. У чому відмінність теоретичної і реальної вольт-амперних характеристик р-н переходу?

6. Що таке пробій р-н переходу? Які є види пробою? Як викоють явище пробою в напівпровідникових приладах?

7. Які існують ємності р-п-переходу? Показати залежність бар’єрної  ємності р-п-переходу від зворотньої напруги, еквівалентні схеми р-н переходу при різних включеннях.

8. Яке призначення напівпровідникових діодів? Наведіть статичну вольт-амперну характеристику випрямного діода. Назвіть види діодів.

9. Який діод називають варикапом? Розказати характеристику варикапа, перерахувати його види та призначення.

2 Лабораторна робота № 2. Стабілітрони

Мета:

1. Побудова зворотньої гілки вольт-амперної характеристики стабілітрону і визначення напруги стабілізації.

2. Обчислення струму і потужності, що розсіюється стабілітроном.

3. Визначення диференціального опору стабілітрона по вольт-амперній характеристиці.

4. Дослідження зміни напруги стабілітрона у схемі параметричного стабілізатора.

5. Побудова навантажувальної прямої стабілітрона.

2.1 Короткі теоретичні відомості

Стабілітрони - це напівпровідникові діоди, що працюють в режимі лавинного пробою. Вони призначені для стабілізації рівня напруги в нелінійних колах постійного струму. В якості стабілітронів використовуються площинні кремнієві діоди (позначають КС 168А). При використанні високолегіруваного кремнію (висока концентрація домішок, а відповідно і велика кількість вільних носіїв заряду) напруга стабілізації знижується, а зі зменшенням ступеня легування - підвищується. Напруга стабілізаці лежить в діапазоні від 3 до 180 В. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона зображена на малюнку 2.1.

На характеристиці точками А і В позначені границі робочої ділянки. Розміщення точки А відповідає напрузі пробою р-п переходу, яка залежить від питомого опору вихідного матеріалу. Точка В відповідає граничному режимі, в якому на стабілітроні розсіюється максимально допустима потужність.

Малюнок 2.1 – Вольт-амперна характеристика стабілітрона

При підключенні стабілітрона до джерела постійної напруги через резистор виходить схема для дослідження стабілітрона (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 Схема для дослідження стабілітрона

Струм стабілізації стабілітрона Iст може бути визначений обчисленням падіння напруги на резисторі R

Icт=  (2.1)

 

 

Напруга стабілізації стабілітрона Ucт визначається точкою на вольт-амперній характеристиці, в якій струм стабілітрона різко збільшується. Потужність розсіювання стабілітрона Pст обчислюється як добуток струму Iст на напругу Ucт:  . Диференційний опір стабілітрона обчислюється таким ж чином, як і для діода, по нахилу вольт-амперної характеристики: .

На практиці схема стабілізатора напруги містить навантажувальний опір,  який приєднаний паралельно стабілітрону (рисунок 2.3).

Малюнок 2.3 Схема параметричного стабілізатора напруги

Для цієї схеми справедливе рівняння

 E=(2.2)

З цього рівняння отримаємо вираз для струму стабілізації

Iст=(2.3)

На підставі рівняння (2.3) може бути побудована навантажувальна пряма, точка перетину якої з вольт-амперною характеристикою являється робочою (рисунок 2.1).

При зміні напруги джерела живлення Е навантажувальна пряма переміщається паралельно до самої себе (пунктирна лінія на малюнку 2. 1), а при зміні опору навантаження змінюється її нахил.

2.2 Порядок проведення експериментів

Експеримент 1

Вимірювання напруги і обчислення струму через стабілітрон.

а) Побудуйте схему згідно з малюнком 2.2 і увімкніть її. Виміряйте значення напруги Ucт на стабілітроні при значеннях ЕРС джерела Е, які наведені у таблиці 2.1 розділу "Результати вимірювань", і занесіть результати вимірів у ту ж таблицю.

б) Обчисліть струм Iст стабілітрона для кожного значення напруги Ucт використовуючи формулу (2.1). Результати обчислень занесіть у таблицю.

в) За даними таблиці (2.1) побудуйте вольт-амперну характеристику стабілітрона.

г) Оцініть за вольт-амперною характеристикою стабілітрона напругу стабілізації.

д) Обчисліть потужність Рст, розсіючою на стабілітроні при ЕРС джерела Е = 20 В.

е) Виміряйте нахил ВАХ в області стабілізації напруги і оцініть диференціний опір стабілітрона в цій області.

Експеримент 2.

Отримання навантажувальної характеристики параметричного стабілізатора (схема на малюнку 2.3).

а) Підключіть резистор Rн = 75 Ом паралельно стабілітрону. Значення ЕРС джерела Е встановіть рівним 20В. Увімкніть схему. Запишіть значення напруги  Ucт на стабілітроні в таблицю 2.2 розділу "Результати експериментів".

б) Повторіть пункт а) при короткому замиканні і при опорах резистора  Rн - 100 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 КОм.

в) Розрахуйте струм Ir через резистор R, включений послідовно з джерелом, струм Iн через резистор Rн, і струм стабілітрона Iст (за формулою 2.3) для кожного значення Rн. Результати занесіть у таблицю 2.2.

Експеримент 3.

Отримання ВАХ стабілітрона на екрані осцилографа.

Побудуйте схему відповідно до рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 - Схема для полученя ВАХ стабілітрона на екрані осцилографа

Увімкніть схему. Відобразіть у звіті отриману ВАХ стабілітрона і запишіть експериментально отримане значення напруги стабілізації, на підставі графіка на екрані осцилографа.

Експеримент 4. Побудова навантажувальної прямої стабілітрона.

На вольт-амперній характеристиці стабілітрона, яка отримана в наслідок експерименту 1, побудувати навантажувальні прямі для наступних значень:

а) Е = 20В; R = 300 Ом; R н = 200 Ом;

б) Е = 20В; R = 300 Ом; R н = 1 кОм;

в) Е = 35В; R = 300 Ом; R н = 200 Ом.

Для кожного випадку визначити робочу точку.

2.3 Результати експериментів

Експеримент 1. Вимірювання напруги і обчислення струму через стабілітрон.

а), б) дані для побудови ВАХ стабілітрона

Таблиця 2.1 - Дані для побудови ВАХ стабілітрона

в) побудова ВАХ стабілітрона

г) напруга стабілізації стабілітрона Uст =

д) розсіює потужність Rст =

е) диференціальний опір стабілітрона Rдиф =

Експеримент 2. Вимірювання точок навантажувальної характеристики параметричного стабілізатора.

Таблиця 2.2 - Дані для навантажувальної характеристики стабілітрона

 

Експеримент 3. Отримання ВАХ на екрані осцилографа.

Напруга стабілізації, отримана з вольт-амперної характеристики, яка отримана за допомогою осцилографа Uст =

Експеримент 4. Побудова навантажувальної прямої стабілітрона.

На вольт-амперній характеристиці стабілітрона, отриманої в результаті експерименту 1, побудувати навантажувальні прямі для вказаних значень.

2.4. Контрольні питання

1. Які технології виготовлення напівпровідникових діодів застосовуютьються в сучасному виробництві? Дайте їх короткий опис.

2. Назвіть типи напівпровідникових діодів. Які діоди відносять до спеціальних типів?

3. У чому відмінність діода Шоттки від інших типів діодів? Назвіть області застосування діода Шоттки.

4. Поясніть принцип дії стабілітрона. Де знаходиться робоча область стабілітрона? (Показати на ВАХ).

5. Які параметри є довідковими даними стабілітрона?

6. Поясніть принцип роботи параметричного стабілізатора напруги. (Показати на схемі).

7. У чому полягає принцип дії тунельного діода? Привести умовне графічне позначення і ВАХ тунельного діода.

8. Поясніть принцип роботи фотодіода, випромінюючого діода, діода Ганна. Наведіть приклади їх застосування.

9. Що таке навантажувальні прямі стабілітрона? Яке їхнє призначення?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58443. Ляльки. Одяг 68 KB
  Take the short dress and colour it blue. Take the big boots and colour them black. Take the small shoes and colour them red. Take the new trousers and colour them grey.
58444. Герої мультфільмів 36 KB
  Jane came to visit Vicky. Look at picture b. What are they doing? Do you know this cartoon? Do you like it? Who are the characters in this cartoon? Do Jane and Vicky like it?icture. This is Sue again. Whats she wearing?
58445. Той ще не музика, хто в дудку дме. А. Григорук Той ще не музика, хто в дудку дме 35 KB
  У яку групу обєднаємо слова останньої групи Музичні інструменти. Як ви їх розумієте Прочитайте слова і вирази правильно наголошуючи один одному напівголосно. Поясніть її слова. Чому він винувато посміхнувся Чи підтримали їхню думку інші члени сімї
58446. Посилення колоніальної політики Російської імперії. Спроби ліквідації гетьманства 75.5 KB
  Спроби ліквідації гетьманства Становище в Україні після Полтавської битви. Заходи щодо економіки Гетьманщини. Україна від гетьманування Івана Скоропадського до Правління гетьманського уряду. Гетьман Іван Скоропадський.
58447. ПОДБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХЭЛЕМЕНТОВ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ 237.93 KB
  Проведем тепловой, конструктивный и гидромеханический расчет теплообменных аппаратов: конденсатора и испарителя. Конденсатор выберем горизонтальный кожухотрубный с водяным охлаждением. Испаритель выбираем горизонтальный кожухотрубный затопленного типа.
58448. Регуляторні системи організму людини 33.5 KB
  Продовжити знайомити учнів з фізіологічними та функціональними системами організму людини; особливу увагу звернути на регуляції функцій та регуляторні системи організму; формувати уявлення про організм як цілісну саморегулювальну систему.
58449. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОРМОПРОИЗВОДСТВА. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМБИКОРМОВЫХ АГРИГАТОВ 3.52 MB
  Оборудование комбикормовых цехов (ОКЦ) предназначено для производства рассыпных полнорационных комбикормов в сельскохозяйственных предприятиях и на межхозяйственных комбикормовых заводах.
58450. Доба Мейдзі в Японії 71 KB
  Мета: навчальна схарактеризувати соціальноекономічний і політичний розвиток Японії в другій половині ХІХ ст.; визначити причини та напрямки зовнішньополітичної експансії Японії; розвиваюча розвивати в учнів уміння аналізувати і узагальнювати історичний матеріал...
58451. Різдво в Україні 76 KB
  Good morning, Sue! Nice to see you! Hello, Ralf!How is life? Hi, Seon! How are you getting on? What season is it now? What are winter months? Do you like winter? What can we do in winter? What else is good about winter?re are a lot of wonderful holidays...