Исследование полупроводниковых диодов

(продолжительность – 4 часа)

Цель работы:

Исследование характеристик полупроводниковых диодов (германиевого и кремниевого), стабилитрона.

 

Оборудование:

Учебно-лабораторный стенд «Луч» – 87Л – 01; сменные панели № 1, 2, 3; съемные элементы (диоды полупроводниковые Д7, Д9, КД103А; стабилитрон Д814А).

 

Задание:

1) Изучить принцип действия электронно-дырочного перехода.

2) Ознакомиться по справочнику с вольт-амперными характеристиками выпрямительных диодов и стабилитрона.

 

Теория:

Диодами называются двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. По назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.

Идеализированная ВАХ диода (рис.1а) описывается в аналитической форме:

I_a = I_s(exp(U/φ_т) – 1), где

I_s – ток насыщения, создаваемый неосновными носителями заряда;

φ_т – тепловой потенциал.

10 11

В реальных диодах прямая и обратная ветви ВАХ отличаются от идеализированной. На прямую ветвь ВАХ диода оказывает влияние объемное сопротивление слоев p-n структуры, увеличивающее падения напряжения U_a на диоде.

Uпр

Iпр

На обратную ветвь ВАХ диода оказывает влияние ток утечки через поверхность p-n перехода и генерация носителей заряда, которая является причиной возможного пробоя p-n перехода.

 

Рис. 1а

К основным параметрам выпрямительных диодов относятся:

- I_a.max – максимально допустимый прямой ток;

- U_a – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

- I_обр.max – максимально допустимый обратный ток;

- U_обр.max – максимально допустимое значение обратного напряжения;

Дифференциальное сопротивление R_диф = ΔU_a/ΔI_a – это отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые диоды. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи, возможность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших обратных напряжениях, большие допустимые плотности прямого тока (60-80 А/см² против 20-40 А/см² у германиевых).

Преимущества германиевых диодов: малое падение U_a напряжения при пропускании прямого тока (0,3-0,6 В против 0,8-1,2 В у кремниевых).

Обозначение полупроводниковых диодов состоит из шести элементов:

Первый элемент: буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод;

Второй элемент: буква, обозначающая подклассы диода;

Третий элемент: цифра, определяющая назначение диода. У стабилитрона – мощность рассеяния.

Четвертый и пятый элементы: цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитрона - номинальное напряжение стабилизации);

Шестой элемент: буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы.

 

Стабилитрон обладает следующими параметрами:

А) Напряжение стабилизации (Uст) при протекании заданного тока стабилизации;

Б) Минимальное и максимальное значение токов стабилизации

I_max ≈ P_max/U_ст

Imin опеределяет состояние устойчивого пробоя p-n перехода

В) Дифференциальное сопротивление. Чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация напряжения

Г) Статическое сопротивление в рабочей точке (R_статич = U_стаб/I_cтаб)

Д) Температурный коэффициент напряжения – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1⁰С при постоянном значении тока.

ВАХ стабилитрона показана на рис.1б

 

∆Uст

Iст.min

12 13

Рис. 1б

Iст.max

∆Iст

 

 

Выполнение:

Изучение свойств выпрямительных диодов Д7, Д9, КД103А.

1)

Установить сменную плату №1 и собрать следующую схему для снятия прямой ветви ВАХ по рис.2, используя в качестве PA1 – АВМ1, а в качестве PU1 – АВМ-2.

 

Рис. 2

 

 

2) Установить в схему германиевый диод Д9.

3) Установить ручки регулировки ГТ, ГН1, ГН2 и ГН3 в крайнее левое положение.

4) Включить тумблер «Сеть» и «МВ».

5) Снять прямую ветвь ВАХ, плавно увеличивая ток ГТ в диапазоне от 0 до 1мА через 0,2мА, в диапазоне от 1мА до 10мА через 2мА. При этом контролировать напряжение и данные занести в таблицу1: Таб.1

Д9Б	Iпр, А		0,2	0,4	0,6	0,8
Uпр, В
КД103А	Iпр, А		0,2	0,4	0,6	0,8
Uпр, В
Д7	Iпр, А		0,2	0,4	0,6	0,8
Uпр, В

 

6) После снятия ВАХ для диода Д9 установить I_пр=0 и заменить диод на кремниевый КД103А, а затем на диод Д7. Провести аналогичные наблюдения и составить соответствующие таблицы для данных диодов.

7)

Собрать схему для определения обратной ветви ВАХ по рис.3. Использовать в качестве источника постоянного напряжения ГН-ГН3.

 

 

Рис. 3

 

8) Установить по очереди все диоды Д9, КД103А, Д7 и для каждого из них снять обратную ветвь ВАХ, изменяя напряжение на ГН от

0 до 100В , контролируя ток диода. При этом следить, чтобы I_обр не превышало 1мА.

9) Замену диодов производить при U_ГН=0.

10) Данные, полученные во время наблюдений, занести в таблицу 2.

11) Выключить тумблеры и разобрать схему. Таб. 2

Uобр [В]
Iобр[мА]

 

12) Построить ВАХ диодов Д9, КД103А, Д7 и сравнить их между собой.

13) По ВАХ определить графическим путем R_диф при токах 1,5мА и 9мА.

 

 

14 15

Изучение свойств стабилитрона.

1) Установить сменную панель №2 и собрать схему для снятия прямой ветви ВАХ стабилитрона по рис.4.Установить в схему стабилитрон Д814А.

2) Прямую ветвь ВАХ стабилитрона снять аналогично прямой ветви ВАХ диода, при токах от 0 до 8 мА. В диапазоне от 0 до 1мА – через 0,2мА, от 1 до 8мА – через 2мА.

3)

Полученные данные занести в таблицу3. После испытания установить I_ГТ=0.

 

 

Рис. 4

Таб.3

 

Iпр [мА]		0,2
Uпр [В]

 

4)

Собрать схему для снятия обратной ветви ВАХ по рис.5, используя в качестве РА₂ – АВМ1, а PU₂ – АВМ2.

 

 

Рис. 5

5) Значения I_ст устанавливать ГТ. Установить I_ст=0,01мА .

6) Изменить ГН2 так, чтобы ΔU_Z=0.

7) Принять это напряжение за U_проб.

8) Изменяя ток ГТ в пределах от 0 до 10мА, фиксировать ΔU_Z

и определить напряжение на стабилитроне как U_ст = U_проб + ΔU_Z.

9) Рассчитать данные и занести их в таблицу 4.

Таб. 4

Iст [мА]	0,01
Uпроб [В]
Uст [В]
UZ [В]

 

После снятия характеристик ток и напряжения генератора ГН2 установить равным нулю. Построить ВАХ стабилитрона. Определить графически по ВАХ R_диф на обратной ветви стабилитрона в точках 1,5мА и 10мА.

Контрольные вопросы:

1) Нарисуйте и объясните ВАХ диода.

2) Какими параметрами характеризуется диод?

3) Что такое I_обр и из каких компонентов он состоит?

4) Как определить параметры по характеристикам диодов?

5) Что такое предельная частота диода?

6) Перечислите основные параметры стабилитрона.

16 17