Файл: Лабораторная работа Исследование полупроводниковых диодов.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 67
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
соответствует значению 
). Заряд накопленных неосновных носителей (заряд переключения) может быть определен из соотношения:
. (1.7)
Практически его можно определить, подсчитав площадь над кривой обратного тока. Данный эффект ограничивает максимальную частоту изменения полярности напряжения на диоде вследствие увеличения среднего значения обратного тока, что приводит к росту потерь и, соответственно, разогреву диода. Для работы в высокочастотных силовых устройствах используются либо специальные диоды, у которых технологическим путем снижено время жизни неосновных носителей, либо диоды Шоттки, у которых процессы накопления таких носителей отсутствуют.
При обратном напряжении диод можно представить в виде конденсатора, емкость которого (барьерная емкость p-n перехода) изменяется в зависимости от величины напряжения, как показано на рис. 1.5. Это свойство позволяет использовать полупроводниковые диоды в качестве управляемого напряжением конденсатора. Однако вследствие значительных потерь, добротность такого полупроводникового конденсатора на основе обычных диодов получается низкой.
Рис. 1.5. Зависимость барьерной емкости полупроводникового диода от величины обратного напряжения и обозначение варикапа на электрических схемах.
Специальными методами потери могут быть значительно уменьшены и диоды, используемые в качестве управляемых напряжением конденсаторов называются варикапами. Один из основных параметров варикапа – коэффициент перекрытия по емкости
, равный отношению максимальной емкости, измеряемой при некотором фиксированном обратном напряжении 
, к минимальной, определяемой при напряжении 
, близком к напряжению пробоя.
Специфической разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон, вольтамперная характеристика и обозначение которого на принципиальных схемах приведены на рис. 1.6. Особенность стабилитрона в том, что рабочей является область электрического пробоя на обратной ветви его вольтамперной характеристики. Если в данной области ток через стабилитрон не достигает величины, превышающей значения
, при которой начинается неуправляемый процесс саморазогрева диода, то режим электрического пробоя является устойчивым, так как перехода его в необратимый тепловой пробой не происходит.
В этом случае при изменении обратного тока в пределах от до 
, напряжение на стабилитроне практически не меняется, то есть остается стабильным в диапазоне 
.
Рис. 1.6. Вольтамперная характеристика и схематическое обозначение стабилитрона.
Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации
и токи – минимальный и максимальный . При токах, меньших , происходит выход из режима стабилизации, а затем и из режима пробоя, а при токах, больших , мощность 
, рассеиваемая на стабилитроне, превышает предельно допустимую. Важным параметром стабилитрона является динамическое сопротивление обратной ветви 
, определяемое по аналогии с дифференциальным сопротивлением прямой ветви обычного полупроводникового диода.
Цель исследования – определение зависимости прямого тока через диод от величины приложенного напряжения. Собрать для исследования диода VD1 схему, приведенную на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (
).
Провести измерения вольтамперной характеристики открытого диода 1N34. Для этого, увеличивая вращением ручки регулятора вправо напряжение на диоде, измерить его при достижении прямым током значений 0,1мА, 0,3мА, 1мА, 10мА, 30мА, 50мА, 80мА и 100мА. Занести полученные данные в таблицу:
Провести аналогичные измерения для диодов 1N4004 и 1N4148. Подключение исследуемых диодов проводить при обесточенном лабораторном стенде.
Для ускорения процедуры измерений, пользуясь тем, что прямые падения напряжений на диодах при одном и том же токе отличаются незначительно, можно после проведения очередного измерения для диода VD1, не меняя положение ручки регулятора напряжения подключить к измерительной схеме диод VD2. При этом понадобится лишь небольшая коррекция напряжения для установки требуемого значения прямого тока. Затем подключить диод VD3 и.т.д.
2.2. Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Цель исследования – определение зависимости обратного тока через диод от величины приложенного напряжения.
Рис. 1.10. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Собрать для исследования диода VD1 схему, приведенную на рис. 1.10. Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение, предел измерения вольтметра PV1 – 3В, а миллиамперметра PA1 – 0,1мА. Включить питание макета.
Снять зависимость обратного тока через диод от величины запирающего напряжения. Для этого, устанавливая напряжения источника питания 0В, 1В, 3В, 6В, 9В, 12В, 15В,
21В и 27В, зафиксировать по PA1 значения обратных токов и занести полученные данные в таблицу:
Провести аналогичные измерения для диодов VD2
VD3. Подключение исследуемых диодов проводить при обесточенном стенде.
Для диода Шоттки (VD4) пробой перехода металл-полупроводник наступает при обратном напряжении порядка 20 25В. Наличие в источнике питания встроенного ограничительного резистора не позволяет перерасти электрическому пробою в тепловой. В режиме пробоя VD4 при увеличении напряжения источника питания напряжение на диоде сохраняется практически неизменным, будет возрастать лишь ток через него. В этой области необходимо провести измерения четырех–пяти значений обратного тока и соответствующих им величин обратного напряжения.
2.3. Исследование динамических характеристик диодов.
Цель исследования – определение времени рассасывания неосновных носителей и заряда переключения.
Исследование заключается в наблюдении и анализе формы тока, протекающего через полупроводниковый диод при резкой смене полярности приложенного напряжения.
Наблюдение и измерение параметров протекающих процессов осуществляется с помощью осциллографа, подключаемого к измерительному резистору
величиной 1 Ом.
Для исследования диода VD1 требуется собрать схему, приведенную на рис. 1.11. При ее работе на анод диода поступают прямоугольные двуполярные импульсы от генератора, имеющего выход на клемму с маркировкой “
”. Во время действия положительного импульса через диод протекает прямой ток, величиной порядка 100мА, а во время действия отрицательного импульса к нему прикладывается запирающее напряжение с амплитудой -5В, и через измерительный резистор
проходит импульс обратного тока.
Рис. 1.11. Схема для исследования динамических характеристик полупроводниковых диодов.
Изменение напряжения на резисторе во времени отображается на экране осциллографа. Величина напряжения связана с протекающим током соотношением:
.
При исследовании динамических характеристик диодов, ручку регулятора напряжения требуется установить в крайнее правое положение при котором напряжение источника питания максимально, чувствительность осциллографа выставить 0,05В/дел, режим синхронизации – «внутренняя».
Включить питание лабораторного стенда. Соответствующими органами управления осциллографа установить неподвижное изображение, добившись, чтобы на экране наблюдалось два положительных импульса. Измерить и зафиксировать амплитуды положительного и отрицательного импульсов. Зарисовать полученную осциллограмму вместе с масштабной сеткой с экрана на кальку.
Провести аналогичные измерения с диодами VD2
VD4. Подключение диодов осуществлять при обесточенном лабораторном стенде.
2.4. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона.
Цель исследования – определение по вольтамперным характеристикам основных параметров стабилитрона.
Для исследования прямой ветви ВАХ стабилитрона VD5 собрать схему, приведенную на рис. 1.9. Согласно указаниям п. 2.1, измерить значения токов и соответствующих им напряжений на прямой ветви VD5.
Собрать схему, приведенную на рис. 1.10. Используя указания п. 2.2, исследовать обратную ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона. Вблизи области пробоя зафиксировать напряжение, при котором произойдет десятикратное увеличение обратного тока по сравнению с его величиной при
В.
В области пробоя снять зависимость напряжения на стабилитроне от тока, устанавливая его значения равными 0,3мА,
). Заряд накопленных неосновных носителей (заряд переключения) может быть определен из соотношения: . (1.7)Практически его можно определить, подсчитав площадь над кривой обратного тока. Данный эффект ограничивает максимальную частоту изменения полярности напряжения на диоде вследствие увеличения среднего значения обратного тока, что приводит к росту потерь и, соответственно, разогреву диода. Для работы в высокочастотных силовых устройствах используются либо специальные диоды, у которых технологическим путем снижено время жизни неосновных носителей, либо диоды Шоттки, у которых процессы накопления таких носителей отсутствуют.
При обратном напряжении диод можно представить в виде конденсатора, емкость которого (барьерная емкость p-n перехода) изменяется в зависимости от величины напряжения, как показано на рис. 1.5. Это свойство позволяет использовать полупроводниковые диоды в качестве управляемого напряжением конденсатора. Однако вследствие значительных потерь, добротность такого полупроводникового конденсатора на основе обычных диодов получается низкой.
Рис. 1.5. Зависимость барьерной емкости полупроводникового диода от величины обратного напряжения и обозначение варикапа на электрических схемах.
Специальными методами потери могут быть значительно уменьшены и диоды, используемые в качестве управляемых напряжением конденсаторов называются варикапами. Один из основных параметров варикапа – коэффициент перекрытия по емкости
, равный отношению максимальной емкости, измеряемой при некотором фиксированном обратном напряжении , к минимальной, определяемой при напряжении , близком к напряжению пробоя.Специфической разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон, вольтамперная характеристика и обозначение которого на принципиальных схемах приведены на рис. 1.6. Особенность стабилитрона в том, что рабочей является область электрического пробоя на обратной ветви его вольтамперной характеристики. Если в данной области ток через стабилитрон не достигает величины, превышающей значения
, при которой начинается неуправляемый процесс саморазогрева диода, то режим электрического пробоя является устойчивым, так как перехода его в необратимый тепловой пробой не происходит.В этом случае при изменении обратного тока в пределах от
до , напряжение на стабилитроне практически не меняется, то есть остается стабильным в диапазоне . Рис. 1.6. Вольтамперная характеристика и схематическое обозначение стабилитрона.
Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации
и токи – минимальный и максимальный . При токах, меньших , происходит выход из режима стабилизации, а затем и из режима пробоя, а при токах, больших , мощность , рассеиваемая на стабилитроне, превышает предельно допустимую. Важным параметром стабилитрона является динамическое сопротивление обратной ветви , определяемое по аналогии с дифференциальным сопротивлением прямой ветви обычного полупроводникового диода.Цель исследования – определение зависимости прямого тока через диод от величины приложенного напряжения. Собрать для исследования диода VD1 схему, приведенную на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (
).
Провести измерения вольтамперной характеристики открытого диода 1N34. Для этого, увеличивая вращением ручки регулятора вправо напряжение на диоде, измерить его при достижении прямым током значений 0,1мА, 0,3мА, 1мА, 10мА, 30мА, 50мА, 80мА и 100мА. Занести полученные данные в таблицу:
 (В) | | | | | | | | | |
 (мА) | 0,1 | 0,3 | 1 | 3 | 10 | 30 | 50 | 80 | 100 |
Провести аналогичные измерения для диодов 1N4004 и 1N4148. Подключение исследуемых диодов проводить при обесточенном лабораторном стенде.
Для ускорения процедуры измерений, пользуясь тем, что прямые падения напряжений на диодах при одном и том же токе отличаются незначительно, можно после проведения очередного измерения для диода VD1, не меняя положение ручки регулятора напряжения подключить к измерительной схеме диод VD2. При этом понадобится лишь небольшая коррекция напряжения для установки требуемого значения прямого тока. Затем подключить диод VD3 и.т.д.
2.2. Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Цель исследования – определение зависимости обратного тока через диод от величины приложенного напряжения.
Рис. 1.10. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Собрать для исследования диода VD1 схему, приведенную на рис. 1.10. Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение, предел измерения вольтметра PV1 – 3В, а миллиамперметра PA1 – 0,1мА. Включить питание макета.
Снять зависимость обратного тока через диод от величины запирающего напряжения. Для этого, устанавливая напряжения источника питания 0В, 1В, 3В, 6В, 9В, 12В, 15В,
21В и 27В, зафиксировать по PA1 значения обратных токов и занести полученные данные в таблицу:
 (В) | 0 | 1 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 21 | 27 |
 (мкА) | | | | | | | | | |
Провести аналогичные измерения для диодов VD2
VD3. Подключение исследуемых диодов проводить при обесточенном стенде.Для диода Шоттки (VD4) пробой перехода металл-полупроводник наступает при обратном напряжении порядка 20
25В. Наличие в источнике питания встроенного ограничительного резистора не позволяет перерасти электрическому пробою в тепловой. В режиме пробоя VD4 при увеличении напряжения источника питания напряжение на диоде сохраняется практически неизменным, будет возрастать лишь ток через него. В этой области необходимо провести измерения четырех–пяти значений обратного тока и соответствующих им величин обратного напряжения.2.3. Исследование динамических характеристик диодов.
Цель исследования – определение времени рассасывания неосновных носителей и заряда переключения.
Исследование заключается в наблюдении и анализе формы тока, протекающего через полупроводниковый диод при резкой смене полярности приложенного напряжения.
Наблюдение и измерение параметров протекающих процессов осуществляется с помощью осциллографа, подключаемого к измерительному резистору
величиной 1 Ом.Для исследования диода VD1 требуется собрать схему, приведенную на рис. 1.11. При ее работе на анод диода поступают прямоугольные двуполярные импульсы от генератора, имеющего выход на клемму с маркировкой “
”. Во время действия положительного импульса через диод протекает прямой ток, величиной порядка 100мА, а во время действия отрицательного импульса к нему прикладывается запирающее напряжение с амплитудой -5В, и через измерительный резистор
проходит импульс обратного тока. Рис. 1.11. Схема для исследования динамических характеристик полупроводниковых диодов.
Изменение напряжения на резисторе во времени отображается на экране осциллографа. Величина напряжения связана с протекающим током соотношением:
.При исследовании динамических характеристик диодов, ручку регулятора напряжения требуется установить в крайнее правое положение при котором напряжение источника питания максимально, чувствительность осциллографа выставить 0,05В/дел, режим синхронизации – «внутренняя».
Включить питание лабораторного стенда. Соответствующими органами управления осциллографа установить неподвижное изображение, добившись, чтобы на экране наблюдалось два положительных импульса. Измерить и зафиксировать амплитуды положительного и отрицательного импульсов. Зарисовать полученную осциллограмму вместе с масштабной сеткой с экрана на кальку.
Провести аналогичные измерения с диодами VD2
VD4. Подключение диодов осуществлять при обесточенном лабораторном стенде.2.4. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона.
Цель исследования – определение по вольтамперным характеристикам основных параметров стабилитрона.
Для исследования прямой ветви ВАХ стабилитрона VD5 собрать схему, приведенную на рис. 1.9. Согласно указаниям п. 2.1, измерить значения токов и соответствующих им напряжений на прямой ветви VD5.
Собрать схему, приведенную на рис. 1.10. Используя указания п. 2.2, исследовать обратную ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона. Вблизи области пробоя зафиксировать напряжение, при котором произойдет десятикратное увеличение обратного тока по сравнению с его величиной при
В.В области пробоя снять зависимость напряжения на стабилитроне от тока, устанавливая его значения равными 0,3мА,