ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель работы: получение экспериментальной вольт-амперной характеристики выпрямительного полупроводникового диода и определение по ней основных параметров диода, составление его эквивалентной схемы.
1.1 Основные теоретические положения
 |
Выпрямительный полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный электронный прибор на основе электронно-дырочного перехода в кристалле полупроводника (рис. 1.1) и предназначен для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одной полярности.
Рис. 1.1. Полупроводниковый диод и его условное обозначение
Если к диоду приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью (анодом), а отрицательный - с n-областью (катодом), то потенциальный барьер p-n-перехода понижается и через диод протекает большой прямой ток даже при невысоком приложенном напряжении. При смене полярности приложенного к диоду напряжения потенциальный барьер p-n-перехода повышается и через диод протекает очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток) даже при высоких значениях обратного напряжения.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода вследствие этого является резко несимметричной, и её типичный вид представлен на рис. 1.2.
Индексами F и R обозначаются прямое и обратное направления токов и напряжений диода.
При анализе электрических цепей, содержащих диоды, нелинейные ВАХ последних во многих случаях заменяют отрезками прямых, т.е. проводят кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ. На рис. 1.2 прямая ветвь ВАХ диода аппроксимирована отрезками ОМ и МN. Отрезок MN проходит через точки К иL ВАХ, которые определяются по значению максимального прямого тока диода IF . Отрезок ОМ соответствует пороговому напряжению UТОдиода.
Обратная ветвь ВАХ диода заменяется отрезками прямых линий OQ и QV. Отрезок OQ выходит из начала координат и проходит через точку P, положение которой на ВАХ диода определяется наибольшим обратным напряжением UR=(0,6 ÷ 0,8)UBR, где UBR- напряжение пробоя диода. Отрезок QV параллелен оси тока и смещен относительно неё на величину напряжения пробоя.
Рис. 1.2. ВАХ диода
Кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода соответствует эквивалентная схема, представленная на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Эквивалентная линейная схема диода
Идеальные вентили VDF ,VDR и VDBR в этой схеме обладают нулевым сопротивлением при прямом включении и бесконечно большим при обратном включении. Дифференциальное прямое сопротивление rТ и дифференциальное обратное сопротивление rR диода определяются углами наклона отрезков MN и OQ к оси токов на рис. 1.2 и могут быть вычислены по выражениям
rТ = ΔUF / ΔIF , rR = UR / IR .
Идеальные ЭДС на эквивалентной схеме равны соответственно пороговому напряжению и напряжению пробоя диода. Такая эквивалентная схема позволяет существенно упростить анализ цепей при наличии выпрямительных диодов, сохраняя приемлемую точность расчётов.
1.2 Порядок выполнения работы
1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема измерения ВАХ диода
На этой схеме источник напряжения «RegY5B» позволяет регулировать прямое напряжение диода VD от 0 до 5 В с шагом 0,05 В нажатием на клавишу «Y» (увеличение напряжения) или «Shift + Y» (уменьшение напряжения). Источник напряжения «RegU100B» позволяет регулировать обратное напряжение диода VD от 0 до 100 В с шагом 1 В нажатием на клавишу «U» (увеличение напряжения) или «Shift + U» (уменьшение напряжения).
Вольтметр V1 измеряет напряжение на диоде, а амперметр А1 показывает ток диода. Вольтметр V2 является вспомогательным и его показания (напряжение источника «RegU100B») записывать не требуется.
Переключатели S1.1 и S1.2 переключаются одновременно нажатием на клавишу «Пробел» (Space). Переключатель S1.1 в левом положении подключает к диоду источник прямого напряжения, а в правом положении подключает к диоду источник обратного напряжения. Переключатель S1.2 подключает вольтметр V1 непосредственно к диоду при измерении малых прямых напряжений для исключения погрешности за счет падения напряжения на амперметре А1. При измерении малых обратных токов диода этот переключатель подключает амперметр А1 непосредственно к диоду для исключения погрешности за счет утечка тока через вольтметр V1.
Резистор R1 в схеме предназначен для ограничения обратного тока диода при высоких обратных напряжениях. Модель диода VD выбирается по указанию преподавателя.
2. Измерить напряжения и токи диода для прямой ветви его ВАХ. Для этого включить режим моделирования и перевести переключатель S1.1 в левое по схеме положение. Регулируя прямое напряжение нажатием на клавишу «Y» или «Shift + Y» записать показания приборов в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Прямая ветвь ВАХ полупроводникового диода
| UF, В | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | ||
| IF, А |
3. Измерить напряжения и токи диода для обратной ветви его ВАХ. Для этого перевести переключатель S1.1 в правое по схеме положение. Регулируя обратное напряжение нажатием на клавишу «U» или «Shift + U» записать показания приборов в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Обратная ветвь ВАХ полупроводникового диода
| UR, В | UBR | ||||||||
| IR, А |
Всего провести 8-10 измерений, ограничившись напряжением, близким к напряжению пробоя диода UBR. Режим пробоя проявляется значительным увеличением обратного тока через диод при увеличении приложенного к нему обратного напряжения.
4. Построить ВАХ диода по результатам эксперимента, определить по ней основные параметры диода. На этом же графике выполнить кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ и определить параметры линейной эквивалентной схемы диода. Начертить эквивалентную схему диода, на которой указать численные значения параметров элементов схемы. Ток IF (рис. 1.2) задается преподавателем.
1.3 Контрольные вопросы
1. Каков принцип работы полупроводникового диода?
2. Какими уравнениями описываются прямая и обратная ветви ВАХ электронно-дырочного перехода?
3. Что обозначает каждый из параметров диода в этой работе?
4. Чем отличаются ВАХ идеального электронно-дырочного перехода от ВАХ реального диода?
5. Объяснить структуру и назначение эквивалентной линейной схемы диода.
2. ИЗМЕРЕНИЕ БАРЬЕРНОЙ ЁМКОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Цель работы: получение экспериментальной вольт-фарадной характеристики электронно-дырочного перехода при различных температурах.
2.1. Основные теоретические положения
Электронно-дырочный переход представляет собой систему двух объемных разноименных зарядов – неподвижных положительных ионов донорной и отрицательных ионов акцепторной примесей. Поскольку эти заряды не могут перемещаться, занятая ими область полупроводника обладает высоким электрическим сопротивлением и образует запирающий слой (рис. 2.1). При изменении напряжения, приложенного к электронно-дырочному переходу, изменяется ширина запирающего слоя dвследствие оттекания и подтекания к нему свободных электронов и дырок из прилегающих n-области и p-области. Изменение ширины запирающего слоя приводит к изменению величины объемных неподвижных разноименных зарядов в нем. Как известно, изменение величины электрического заряда при изменении приложенного напряжения характеризуется таким параметром как электрическая ёмкость. Поэтому электронно-дырочный переход при подключении к источнику переменного напряжения ведёт себя подобно электрическому конденсатору с барьерной ёмкостью СБ (рис. 2.1). Барьерная ёмкость может быть вычислена по формуле плоского конденсатора:
.
В этом выражении dQБ - изменение объемного заряда электронно-дырочного перехода при изменении приложенного к нему обратного напряжения duR, S – площадь электронно-дырочного перехода, ee0 - диэлектрическая проницаемость материала электронно-дырочного перехода.
Рис. 2.1. Ёмкость p-n перехода
При регулировании величины обратного напряжения UR, приложенного к электронно-дырочному переходу, объемный заряд dQБ изменяется не пропорционально UR, поэтому барьерная ёмкость является функцией этого напряжения, т. е. является нелинейной. Типичный вид вольт-фарадной характеристики (ВФХ) электронно-дырочного перехода показан на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Вольт-фарадная характеристика
Барьерная ёмкость может достигать величины десятков пикофарад. Инерционность процесса заряда и разряда этой ёмкости при работе полупроводниковых устройств может заметно ухудшить их быстродействие, что является отрицательным фактором.
Возможность управлять барьерной ёмкостью, регулируя приложенное к ней постоянное напряжение, используется в специальных полупроводниковых диодах – варикапах. Они применяются для дистанционной перестройки резонансных частот колебательных контуров и в устройствах, где нужна нелинейная ёмкость.
Измерить СБможно резонансным методом. Для этого диод с ёмкостью СБ включают в колебательный контур и измеряют его резонансную частоту f0 (рис. 2.3). Контроль за наступлением резонанса можно вести по максимуму напряжения на сопротивлении R.
Рис. 2.3. Колебательный контур
Величина ёмкости определяется из условия резонанса для последовательного колебательного контура:
.
2.2 Порядок выполнения работы
1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 2.4.
Рис. 2.4 Схема измерения барьерной ёмкости
На этой схеме источник напряжения «RegU20B» позволяет регулировать обратное напряжение диода VD от 0 до 20 В с шагом 0,2 В нажатием на клавишу «U» (увеличение напряжения) или «Shift + U» (уменьшение напряжения). Вольтметр V измеряет постоянное обратное напряжение на диоде. После установки и измерения этого напряжения вольтметр необходимо отключить от диода переключателем S1 нажатием на клавишу «Пробел» (Space). При этом вольтметр не будет своим внутренним сопротивлением вносить погрешности в дальнейшие измерения. Численное значение индуктивности 
задаётся преподавателем.
2. Измерить резонансные частоты колебательного контура f0 при различных величинах обратного напряжения UR в диапазоне от 0 до 10 В с шагом 1-2 В при температуре диода t = 27оС. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на изображении диода и установить его температуру в соответствующем окне согласно рис. 2.5.
Рис. 2.5. Установка температуры диода
Включить режим моделирования, подключить вольтметр к диоду переключателем S1, установить одно из значений обратного напряжения, записать его в табл. 2.1 и отключить вольтметр. Для измерения резонансной частоты при этом значения обратного напряжения необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на изображении характериографа (Bode Plotter), появится изображение его лицевой панели (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Лицевая панель.
На экране с помощью указателя мыши переместить вертикальную визирную линию в точку максимума резонансной кривой. Точный поиск максимума лучше производить с помощью кнопок со стрелами «» «®» в нижней части лицевой панели характериографа. по максимальному показанию цифрового индикатора (0,156 на рис. 2.6). Резонансную частоту колебательного контура f0 , показанную так же на цифровом индикаторе в нижней части лицевой панели (122,8 кГц на рис. 2.6) записать в табл. 2.1.
Повторить эксперимент для остальных значений обратного напряжения, а так же для t = 70оС.
Таблица 2.1
Результаты измерений и вычислений
| t = 27оС | t = 70оС | ||||
| UR,В |  ,кГц
| СБ,пФ | UR,В | ,кГц
| СБ,пФ |
3. По результатам измерений определить барьерную ёмкость для каждого значения напряжения UR и построить ВФХ электронно-дырочного перехода для двух значений температуры на одном графике.
2.3. Контрольные вопросы
1. Почему образуется запирающий слой в электронно-дырочном переходе? Каковы его электрические свойства?
2. Что такое барьерная ёмкость электронно-дырочного перехода? От каких параметров электронно-дырочного перехода она зависит?
3.Как зависит барьерная ёмкость от напряжения электронно-дырочного перехода? Почему?
4. Как зависит барьерная ёмкость от температуры? Почему?
5. Как влияет барьерная ёмкость на быстродействие и частотные свойства полупроводниковых приборов?
6. Как используют барьерная ёмкость в электронной технике?
Дата добавления: 2015-02-13; просмотров: 2990;