Исследование статической вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Отчёт по каждой работе должен содержать:

ü титульный лист;

ü цель работы;

ü схему(ы) исследования (должны приводиться в том виде, в каком были соб­раны в Electronics Workbench с указанием типа исследуемых приборов);

ü результаты исследований (таблицы, графики, расчёты должны соответствовать стандарту оформления технической документации), следующие по порядку выполнения работы.

ü при выполнении работ на стенде требуемые осциллограммы должны быть аккуратно срисованы или сфотографированы с экрана осциллографа, который должен быть настроен на отображение 2-3 периодов напряжения. На всех приводимых осциллограммах должны быть указаны масштабные коэффици­енты по оси времени и напряжений.

(выполняется в Electronics Workbench )

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 и L ВАХ, которые определяются по значению максимального прямого тока диода I_F. Отрезок ОМ соответствует пороговому напряжению U_ТО диода.

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 U_R =(0,6 ÷ 0,8) U_BR, где U_BR - 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 VD_F,VD_R и VD_BR в этой схеме обладают нулевым сопротивлением при прямом включении и бесконечно большим при обратном включении. Дифференциальное прямое сопротивление r_Т и дифференциальное обратное сопротивление r_R диода определяются углами наклона отрезков MN и OQ к оси токов на рис. 1.2 и могут быть вычислены по выражениям

r_Т = ΔU_F / ΔI_F , r_R = U_R / I_R.

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 U_BR. 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 I_F (рис. 1.2) задается преподавателем.

1.3 Контрольные вопросы

1. Объясните структуру и принцип работы полупроводникового диода?

2. Назовите основные параметры полупроводникового диода. От каких технологических особенностей диода зависит величина этих параметров?

3. Какими уравнениями описываются прямая и обратная ветви ВАХ электронно-дырочного перехода? Чем отличаются ВАХ идеального электронно-дырочного перехода от ВАХ реального диода?

4. Объясните явление лавинного пробоя электронно-дырочного перехода.

5. Объясните структуру и назначение элементов эквивалентной линейной схемы диода.

Дата добавления: 2015-05-06