Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2001
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Електроніка та мікропроцесорна техніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА«
ЗНЯТТЯ ВОЛЬТАМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА
Методичні вказівки до лабораторної роботи №9
з курсу
“Електротехніка електроніка та мікропроцесорна техніка"
для студентів спеціальностей:
7.090207 "Робототехнiчнi системи та комплекси",
7.090223 "Машини та технологія пакування",
7.090222 "Обладнання легкої промисловості
та побутового обслуговування"
Затверджено
на засіданні кафедри
автоматизації та комплексної
механізації машинобудівної
промисловості
Протокол № 6
від 29.03.2001р.
Львів - 2001
Зняття вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода. Методичні вказівки та інструкція до лабораторної роботи з курсу “Електротехніка електроніка та мікропроцесорна техніка" для студентів спеціальностей: 7.090207 "Робототехнiчнi системи та комплекси", 7.090223 "Машини та технологія пакування", 7.090222 "Обладнання легкої промисловості та побутового обслуговування"/Укл. Зелінський І.Д., Таянов С.А. - Львів: Національний університет "Львівська політехніка", 2001. -12с.
Укладачі:
к.т.н., доцент каф. АКМ Зелінський І.Д.,
к.т.н., доцент каф. АКМ Таянов С.А.
Відповідальний за випуск:
зав. каф. АКМ доцент, к.т.н. Гаврильченко О.В.
Рецензенти:
к.т.н., доцент каф. АКМ Савчин О.М.
д.т.н., доцент каф. "Телекомунікації" Тимченко О.В.
ЗНЯТТЯ ВОЛЬТАМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА
Мета роботи: вивчення властивостей площинних напівпровідникових діодів шляхом практичного зняття і дослідження їх вольт-амперних характеристик.
І. ПОПЕРЕДНЯ ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ
Теоретичні відомості
1.1. Напівпровідниковий p-n- перехід
Напівпровідниковим p-n- переходом називають тонкий шар, що утвориться в місці контакту двох областей напівпровідників акцепторного і донорного типів (див. рис. 1). Обидві області напівпровідника, зображені на малюнку, електрично нейтральні, оскільки як сам матеріал напівпровідника, так і домішки електрично нейтральні. Відмінності цих областей - у тім, що в лівій основними носіями заряду є дірки, а в правій - електрони.
Рис. 1. Розподіл зарядів в області p-n- переходу
У результаті теплового хаотичного руху одна з дірок з лівої області p типу може потрапити в праву область n типу, де швидко рекомбінується з одним з електронів. У результаті цього в правій області з'явиться надлишковий позитивний заряд, а в лівій області - надлишковий негативний заряд (див. рис. 1). Аналогічно, у результаті теплового руху один з електронів з лівої області може потрапити в праву, де швидко рекомбінується з однієї з дірок. У результаті цього в правій області також з'явиться надлишковий позитивний заряд, а в лівій області - надлишковий негативний заряд.
Поява цих зарядів приведе до появи електричного поля на границі областей напівпровідника. Це поле буде відштовхувати дірки p області від границі розділу напівпровідників, а електрони n області - вправо від цієї границі. З електричним полем можна зв'язати потенційну енергію дірки й електрона в областях (див. рис. 1). Виходить, що дірка для переходу з p області в n область повинна "забратися" на потенційний поріг висоти . На аналогічний поріг повинний "забратися" електрон для переходу з n області в p область. Імовірність такого проходу пропорційна множнику Больцмана:
.
(1)
Розглянуті переходи основних носіїв сформують густину струму основних носіїв через p n перехід:
.
(2)
У стані рівноваги цей струм буде компенсуватися струмом неосновних носіїв, формованим неосновними носіями - дірками n області й електронами p області. Однак цих носіїв дуже мало, і струм неосновних носіїв лімітується саме їхнім числом, хоча поле "сприяє" цьому струму (див. рис. 1).
Якщо до p n переходу прикласти зовнішню різницю потенціалів , як це показано на рис. 2 (а) (це - так зване пряме включення p n переходу), то зовнішнє поле зменшить існуюче в кристалі поле , і висота порогів на рис. 2 зменшиться, тоді струм основних носіїв зросте відповідно до формули:
.
(4.39)
Струм неосновних носіїв при цьому практично не зміниться, тому що він лімітується малим числом неосновних носіїв. На рис. 3 зображені залежності струму основних і неосновних носіїв при збільшенні зовнішньої напруги , а також побудований ділянка вольтамперної характеристики (ВАХ) при .
Рис. 2 а. Потенційні пороги поблизу p-n- переходу при прямому і зворотному включенні зовнішньої напруги на ньому
Рис. 4.22 b. Потенційні пороги поблизу p-n- переходу при прямому і зворотному включенні зовнішньої напруги на ньому
Рис. 4.23. Залежність струму основних і неосновних носіїв через p-n- перехід від напруги на ньому, ВАХ p-n- переходу
Якщо до p n переходу прикласти зовнішню різницю потенціалів "навпаки", як це показано на рис. 2 (б) (так зване зворотне включення p n переходу), то зовнішнє поле збільшить існуюче на границі поле , і висота порогів на рис. 1 збільшиться. Струм основних носіїв від цього зменшиться відповідно до формули (2). Струм неосновних носіїв при цьому практично не зміниться, тому що він лімітується малим числом неосновних носіїв. На рис. 3 зображені залежності струму основних і неосновних носіїв при "зворотному" включенні зовнішньої напруги , і побудована ділянка ВАХ при .
Пробій p n переходу. Якщо продовжувати збільшення напруги зворотної полярності, то при деякій напрузі , називаній напругою пробою, відбудеться пробій p n переходу. Це зв'язано з тим, що в закритому стані p n переходу майже вся прикладена напруга діє в тонкому прикордонному шарі. Тому в ньому сформується велика напруженість електричного полючи, здатна прискорити електрон на малій відстані до енергій достатніх для "вибивання" електрона з ковалентного зв'язку; далі вже обидва електрони будуть прискорені, вони виб'ють ще електрони і так далі. Вийде подоба електронної лавини, що приводить до пробою переходу. Пробою відповідає ділянка біля на ВАХ (див. рис. 3). Ця ділянка при має ділянка плавного наростання струму, що дозволяє використовувати явище пробою для стабілізації напруги (див. нижче).
ВАХ p n переходу виходить нелінійної, а головне несиметричної: в одну сторону p n перехід проводить струм дуже добре, а в іншу - дуже погано.
Можна дати і просте та наглядне пояснення таких сильних відмінностей провідності p n переходу в різних напрямках. Розглянемо рис. 4.
Рис. 4.24а. Схема руху електронів і дірок при прямому (а) і зворотному (б) включенні p-n- переходу
Рис. 4.24b. Схема руху електронів і дірок при прямому (а) і зворотному (б) включенні p-n- переходу
При включенні p n переходу в прямому напрямку (див. рис. 4 а) дірки в лівій області будуть рухатися до границі розділу, і електрони з правої області також будуть рухатися до границі розділу. На границі вони будуть рекомбінувати. Струм на всіх ділянках ланцюга забезпечується основними носіями, сам p n перехід збагачений носіями струму. Провідність p n переходу буде великою.
При включенні p n переходу в зворотному напрямку (див. рис. 4 б) і дірки в лівій області будуть рухатися від границі розділу, і електрони з правої області також будуть рухатися від границі розділу. На границі розділу областей у результаті не залишиться основних носіїв струму. Струм на цій границі буде забезпечується дуже малим числом неосновних носіїв, що утворилися поблизу тонкого p n переходу. Провідність p n переходу буде малою. В результаті ВАХ прийме асиметричний вид як на рис. 3.
Застосування p n переходу в техніку - дуже численні. Зупинимося на деякі з них.
Випрямлення струму і детектування сигналів. Для цих цілей використовують деталь - напівпровідниковий діод, головна частина якого p n перехід. Використовують схему підключення діода, зображену на рис. 5. Якщо на вхід подати синусоїдальний сигнал, то діод "пропустить" тільки позитивні напівхвилі синусоїди. На опорі навантаження (на виході) сигнал буде мати вид як на рис. 5. Щоб одержати огинаючу сигналу, то використовують додатковий конденсатор , що, заряджаючись і розряджаючись, згладить гострі напівхвилі. За такою схемою працюють найпростіші випрямлячі напруги - пристрою, що перетворять зміннй струм у постійний, і детектори радіосигналів - пристрою, що дозволяють виділити огинаючу високочастотного сигналу, що несе корисну інформацію.
Рис. 5. Схема включення p-n- переходу для випрямлення і детектирования струмів і сигналів
1.2. Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з р-п переходом, що має два виводи. Малі габаритні розміри і маса, висока швидкодія і надійність, низька вартість дозволяють застосовувати їх практично в будь-яких сучасних електронних вузлах.
Напівпровідникові діоди класифікуються по ряді ознак, найважливішими з який є призначення, конструктивно-технологічні особливості, вид вихідного напівпровідни кового матеріалу. По призначенню напівпровідникові діоди діляться на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, варікапи та інші; по конструктивно-технологічних особливостях - на площинні та точкові; по типу вихідного матеріалу - на германієві, кремнієві, селенові, арсенідо-галієві, карбідо-кремнієві та інші.
Умовне позначення (маркування) діодів складається з елементів: 1-й елемент (цифра або літера) позначає вихідний матеріал напівпровідника: 1 або Г - германій; 2 або К - кремній; 3 або А— арсенід галію і т.п.; друга (літера) - характеризує клас або групу діодів: Д - випрямні, універсальні (високочастотні) і імпульсні; А – надвисокочастотні; С - стабілітрони; В— варикапи; И—тунельні; Ц—випрямні стовпці і блоки; третій (тризначний номер по сотнях) - говорить про групу застосування (вказується в довіднику); четвертий елемент – великі літери російського алфавіту А, Б, В і т. д. (до всіх діодів) – вказують на різновид діода даного типу. Наприклад, КС147А - кремнієвий стабілітрон малої потужності, різновидності А.
Випрямні діоди
Випрямні діоди - це напівпровідникові діоди, призначені для перетворення змінного струму в постійний в обмеженому діапазоні частот (50 Гц…100 кГц). Крім того, випрямні діоди широко використовуються в схемах керування і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв’язки ланцюгів і т.д.
В даний час у якості випрямних діодів широко застосовуються кремнієві площинні діоди, що мають значно менші зворотні струми і великі припустимі зворотні напруги, чим германієві. Недоліком кремнієвих діодів є дещо більше пряме падіння напруги, чим на германієвих.
Випрямні діоди виконуються на основі р-п переходу і мають дві області. Одна з них є більш низькоомною (містить велику концентрацію домішки - звичайно область із провідністю типу р) і називається емітером. Інша область, база - більш високоомна (містить меншу концентрацію домішок - звичайно область із провідністю типу п). До емітера і бази підводяться металеві контакти, називані відповідно анодом і катодом.
У основі роботи ВД лежить властивість односторонньої провідності р-п переходу, що полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому вмиканні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному вмиканні. Сказане відображають вольт-амперні характеристики ВАХ випрямного діода: ідеального (рис. 6, а) і реального (рис. 6, б).
Пряма гілка ВАХ ВД описується рівнянням
,
Рис.1.
де , - відповідно прямий струм та пряма напруга; - опір базової області (складає одиниці…десятки Ом); - тепловий потенціал; - стала Больцмана; - заряд електрона; - абсолютна температура; - зворотній струм p-n переходу. Робочою ділянкою ВАХ випрямного діода є лінійна (омічний) ділянка характеристики при прямому вмиканні (ділянка 2-3, рис. 1, б). Нахил характеристики на цій ділянці визначається опором базової області . На практику пряма гілка ВАХ реального ВД апроксимуються ломаною лінією (ділянки 0 – 1, 1 – 3, рис. 1, б). З рисунка видно, що при (ділянка 1 - 3); при (ділянка 0 1), де , - напруга потенційного бар’єру р-п переходу (складає порядку 0,3...0,9 В); .
ВАХ випрямного діода залежать від температури навколишнього середовища. З її збільшенням зростають прямої і зворотний струми діода. Особливо сильно змінюється зворотний струм, тому що його створюють неосновні носії заряду, число яких у напівпровіднику збільшується з ростом температури. Значення прямого струму в основному залежить від концентрації домішки в напівпровіднику.
Рис. 7.
Основні параметри, що характеризують роботу ВД у випрямних схемах, приведені в [3, 4, 5].
Якщо вхідна напруга перевищує максимальну обернену напругу одного діода то декілька випрямних діодів включають послідовно (рис. 2, а), а якщо прямий струм перевершує діода, декілька ВД включають паралельно (рис. 2,6). Для усунення нерівномірності розподілу зворотної напруги між послідовно з’єднаними діодами останні шунтуються опорами , а для усунення нерівномірності розподілу струмів, що протікають у паралельно включених діодах при прямому вмиканні, послідовно з кожним діодом включають додаткові опори . Значення складають десятки - сотні кілоом, а - сотні ом. Їхні значення повинні задовольняти співвідношенням:
Високочастотні і надвисокочастотні діоди (ВЧ- і СВЧ-діоди). ВЧ-діоди є більш універсальними, чим випрямні діоди, тому їх називають універсальними діодами. Вони можуть працювати в випрямлячах змінного струму, а також у модуляторах, детекторах, різних перетворювачах електричних сигналів у широкому діапазоні частот (до сотень мегагерц). Їхнім недоліком в порівнянні з ВД є більш низька навантажувальна спроможність. ВЧ-діоди ранніх розробок містять точковий р-п перехід і називаються точковими. Зараз знаходять використання високочастотні напівпровідникові діоди з площинними р-п переходами дуже малих розмірів. У порівнянні з крапковими такі ВЧ-діоди мають великі допустимі струми і кращі характеристики при зворотному вмиканні. Конструкції ВЧ- і СВЧ-діодів приведені в [3, 4, 8]. Пряма гілка ВАХ таких діодів за формою не відрізняється від ВАХ випрямних діодів. Зворотний струм має менше значення, чим у ВД, через малу площу р-п переходу, але на ВАХ практично відсутня ділянка насичення і за рахунок струмів термогенерации і відпливи зворотний струм рівномірно зростає (рис. 2, б). Значення постійних прямих струмів точкових діодів не перевищує 50 мА, значення допустимих обернених напруг - 150В. Основним параметром ВЧ-діодів є бар'єрна ємність Сд. Чим менше Сд, тим ширше частотний діапазон діода. Звичайно Сд < 1пФ. На надвисоких частотах (fmax>1000 мГц) на роботу діода впливає його інерційність, що разом із наявністю Сд обмежує застосування діодів. Інші параметри ВЧ- і СВЧ-діодів ті ж, що і ВД.
Імпульсні діоди (ІД). ІД є різновидом високочастотних діодів і призначені для використання в якості ключових елементів у швидкодіючих імпульсних схемах. Їхня конструкція, ВАХ, статичні і динамічні параметри такі ж, як і у ВЧ-и СВЧ-діодів. ІД працюють при впливі короткочасних імпульсів і повинні добре передавати їхню форму. Для зменшення тривалості перехідних процесів у ІД зменшують його дифузійну Сд і бар'єрну Сбар ємності Для цього зменшують товщину бази, збільшують її питому провідність, зменшують площу р-п переходу, зменшують час життя неосновних носіїв у базі і т.д.
Схема дослідження, необхідні прилади і деталі
Для зняття вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода можна використовувати схему рис. 1. Елементи схеми визначаються типом досліджуваного діоду. У табл. 1 приведені основні параметри деяких площинних діодів, що широко застосовуються в електронній апаратурі.
Таблиця 1. Основні параметри деяких випрямних діодів
Тип діодів
Найбільший випрямлений струм , А
Пряме падіння напруги , В
Найбільша зворотня напуга , В
Найбільший зворотній струм , ма
Д206-Д211
Д217-Д218
Д226-Д226Е
Д202-Д205
Д223
Д242-Д242П
0,1
0,1
0,3
0,4
0,05
10
1
0,7
1
1
1
1,25
100-600
8001000
400
100 -400
50
100
0,05
0,05
0,03
0,5
0,001
3
Значення е.р.с. Е джерела постійного струму залежить від типу досліджуваного діода. Однак у більшості випадків досить прикладати до діода в прямому напрямку напруга порядку 1 В, а в зворотному - порядку 30-40 В.
Перемикач В1 служить для зміни полярності напруги, яка підводиться до діода. Якщо перемикач встановлений в положення 1, то до діода підводиться пряма напруга, а при установці перемикача в положення 2 - зворотня. Потенціометр К з опором порядку 1 кОм використовують для плавного регулювання величини напруги, що прикладається до діода.
Вольтметр повинний бути розрахований на вимірювання постійних напруг у межах 0-30 В. Для більшої точності відліків при знятті вольт-амперної характеристики в прямому напрямку бажано застосувати вольтметр із двома чи декількома межами вимірів, один із яких повинний складати приблизно 1-3 В. При вимірах вольтметром прямих і зворотних напруг необхідно дотримувати полярність включення.
Перемикач В2 призначений для включення в схему одного з приладів, що вимірюють струм діода. При установці перемикача в положення 1 у схему включається прилад для виміру прямого струму, верхню межу вимірів якого вибирають відповідно до величини випрямленого струму досліджуваного діода. При установці перемикача В2 у положення 2 .у схему включається мікроамперметр для вимірів зворотного струму. Шкала цього приладу розраховується на величину зворотного струму діода (див. табл. 1).
Для вимикання схеми при випадковому пробої діода встановлюють запобіжники Пр, розраховані на максимальне значення випрямленого струму досліджуваного діода.
II. ВИКОНАННЯ РОБОТИ
План роботи
1. Збирання і випробування схеми.
2. Зняття вольт-амперної характеристики при прямій напрузі, прикладеній до діода.
3. Зняття вольт-амперної характеристики при зворотній напрузі, прикладеній до діода.
4. Побудова вольт-амперної характеристики діода.
5. Визначення коефіцієнта випрямлення Кв діода (додаткове завдання).
Зборка і випробування схеми
Підібравши елементи схеми, з'єднують їх між собою відповідно до рис. 3.
Рис. 3. Схема дослідження напівпровідникового діода.
Після перевірки приступають до випробування схеми. Движок потенціометру R встановлюють у таке положення, в якому до вимірювальної частини схеми не буде подаватися напруга. Для випробування схеми при прямій напрузі, прикладеній до діода, перемикачі В1 і В2 установлюють у положення 1. Верхня межа виміру напруги вольтметра повинна бути порядку 1-3 В. Потім обережно пересувають движок потенціометра, збільшуючи напругу, яка подається на діод. Одночасно стежать за-величиною прямого струму діода, що повинна змінюватися в межах, достатніх для зняття вольт-амперної характеристики. Якщо величина напруги, що підводиться до діода змінюється дуже різко, то потрібно підібрати потенціометр з іншим значенням опору. Після цього движок потенціометра R знову встановлюють у положення нуля, а перемикачі В1 і В2 в положення 2 (зворотне включення). Шкала вольтметра повинна бути розрахована на вимір напруги порядку 30 В. Потім поступово збільшують зворотню напругу, яка прикладена до діода, і стежать за показами мікроамперметра. Величина зворотного струму повинна мінятися незначно і не перевищувати значення, допустимого для даного діода. Випробування схеми роблять для двох-трьох діодів, що підлягають дослідженню.
Зняття вольт-амперної характеристики при прямій напрузі,
прикладеній до діода
Для зняття вольт-амперної характеристики необхідно поставити перемикачі в положення 1 і, змінюючи напругу джерела від 0 до 1 В (через інтервали 0,1 В), стежити за змінами величини прямого струму. Результати спостережень записують у табл. 2.
Таблиця 2
Діод типу...
Зняття вольт-амперної характеристики при зворотній напрузі,
прикладеній до діода
Для зняття цієї характеристики необхідно поставити перемикачі в положення. 2 і, змінюючи напругу джерела від 0 до 30 В (через інтервали в 5 В), слідкувати за величиною зворотного струму діода. Результати спостережень записують у табл. 3.
Таблиця 3
Тип діоду...
Примітка. Якщо при випробуванні діода зворотний струм перевищить гранично припустиму величину, то випробування варто припинити. Діод до експлуатації не придатний.
Побудова вольт-амперної характеристики діода
За даними табл. 2 і 3 у прямокутній системі координат будують вольт-амперну характеристику діода . Необхідно правильно підібрати масштаби струмів і напруг, що відкладаються по осях у прямому та зворотному напрямках. Приблизний вигляд вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода показаний на рис. 4.
Рис. 4. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода
Визначення коефіцієнта випрямлення Кв діода (додаткове завдання)
Для визначення величини Кв необхідно значення прямого і зворотнього струму при напрузі 1В підставити в формулу
.
Визначивши Кв для декількох однотипних діодів, необхідно вказати, який з них найбільш придатний для роботи в схемах випрямлячів.
III. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ
Звіт повинний містити:
1) точне найменування і мету роботи;
2) таблицю основних даних досліджуваного діода;
3) схему дослідження діода з короткою характеристикою елементів, що входять у неї;
4) таблицю спостережень;
5) графік вольт-амперної характеристики діода;
6) розрахунок коефіцієнтів випрямлення для декількох однотипних діодів;
7) короткі висновки про роботу.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
1. Розповісти про конструкцію, маркірування й умовні позначки напівпровідникових діодів.
2. Поясните вентильну дію р-n-переходу.
3. Які особливості крапкових і площинних напівпровідникових діодів?
4. Побудуйте і поясните вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода.
5. Якими параметрами характеризуються випрямні напівпровідникові діоди?
6. Як впливає температура навколишнього середовища на характеристики і параметри напівпровідникових діодів?
7. Що таке ємність p-n-переходу і як вона залежить від величини прикладеної напруги?
8. Як включаються напівпровідникові діоди, якщо робоча напруга перевершує припустима зворотна напруга одного діода?
9. Як включаються напівпровідникові діоди, якщо робочий струм перевершує припустимий струм одного діода?
10. Назвіть переваги і недоліки напівпровідникових діодів у порівнянні з вакуумними.
11. Розповісти про застосування напівпровідникових діодів у випрямних схемах.
Література
Скаржепа И. А., Луценко А. Н. Электроника и микросхемотехника: Учебник: В 2х ч./ Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. К.: Вища шк. 1989. - Ч.1.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1991.
Захаров В.К., Лыпарь Ю.М. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
Веревкин Ю. Е. Основы электронной и полупроводниковой техники. Изд-во «Судостроение», М., 1969.
Гершунский Б. С. Основы электронной и полупроводниковой техники. Изд-во Киевского университета, 1967.
Дыкин А. В., Овечкин Ю. А. Электронные и полупроводниковые приборы. Изд-во «Энергия», М., 1971.
Гершунский Б. С. и др. Справочник по основам электронной техники. Изд-во Киевского университета, 1972.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора