Исследование работы полупроводникового диода и стабилитрона, сравнение их характеристик

Лабораторно-практическая работа Исследование работы полупроводникового диода и стабилитрона, сравнение их характеристик

Цель работы:

1. Закрепить навыки сборки простейших электрических цепей.

2. Закрепить навыки использования электроизмерительных приборов.

3. Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей с полупроводниковыми приборами.

4. Изучить закономерности протекания тока в p — n переходе.

5. Исследовать вольтамперную характеристику диода и стабилитрона.

6. По экспериментальным зависимостям сделать количественную оценку параметров токовых характеристик p — n переходов.

Содержание отчета:

- название лабораторно-практической работы;

- электрические схемы;

- заполненные таблицы;

- все расчеты к таблицам и дополнительные расчеты;

- основные выводы;

Правила оформления:

Лабораторная работа выполняется на компьютере с применением виртуальной лаборатории Electronics WorkBench (EWB).

Отчет должен быть представлен печатной работой на листах формата А4, таблицы заполняются шариковой ручкой от руки.

Расчет может выполняться от руки или на компьютере.

Использовать MS WORD и MS Excel.

Требуемое оборудование:

Продолжительность работы: 2 часа Лабораторная работа проводится в виртуальной среде EWB.

1. Основные теоретические положения Полупроводниковый диод представляет собой двухэлектродный прибор на основе электронно-дырочного перехода в кристалле полупроводника (рис. 1) и предназначен для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одной полярности.

Рис. 1. Структурная схема диода.

Если к диоду приложить напряжение в прямом направлении, когда положительный полюс источника энергии соединен с р-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 повышается, и через диод протекает очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток) даже при высоких значениях обратного напряжения.

Вольтамперная характеристика диода вследствие этого является резко несимметричной, и ее типичный вид представлен на рис. 2.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика диода Нелинейным элементом электрической цепи называют элемент, сопротивление которого зависит от величины тока, проходящего через него. Нелинейной электрической цепью называют такую цепь, в состав которой входит хотя бы один нелинейный элемент.

При анализе нелинейных цепей электрические свойства нелинейных и линейных элементов представляют в виде ампер-вольт характеристик (авх), которые отображают зависимость тока от напряжения, т. е. I=f (U).

АВХ могут быть получены из зависимости R=f (I), если воспользоваться законом Ома. Так для характеристики, изображенной на рис. а, АВХ будет иметь вид прямой линии, определяемой выражением: I = (1/R)*U, а для характеристики, изображенной на рис. в, АВХ будет иметь вид кривой, выражение которой определяется следующим образом:

I= (1/R)*U = (1/(I*k))*U; I² = U/k; I = vU/k;

АВХ линейных элементов имеют вид прямых линий, а нелинейных элементов — некоторых кривых линий (рис. **.).

По виду АВХ различают нелинейные элементы с симметричной и несимметричной характеристиками (по отношению к началу координат).

Полупроводниковый стабилитрон — это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости — катастрофического саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что-либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия.

2. Порядок выполнения работы

1. Исследовать вольтамперную характеристику полупроводникового диода Д237А и стабилитрона Д811 при прямом и при обратном включении. Для диода Д237 А в прямом направлении напряжение изменять в пределах от 0 до 1 В, в обратном от 0 до 80 В. Для стабилитрона Д811 прямом направлении напряжение изменять в пределах от 0 до 0,6 В, в обратном от 0 до 12 В. Запрещается превышать паспортные данные для диода и стабилитрона (см. Макет — Описание лабораторного макет — Паспортные данные приборов).

2. По начальному участку обратной ветви ВАХ диода Д237 А определить ток насыщения.

3. По обратной ветви ВАХ стабилитрона Д811 определить напряжение стабилизации (пробоя).

4. Рассчитать концентрацию носителей в базе диода по формуле (1,2(см. Теория — теоретическая часть) в зависимости от типа p-n перехода), исходя из определенного напряжения пробоя (стабилизации) для стабилитрона.

5. Оформить отчет по лабораторной работе.

Схема экспериментальной установки

3. Экспериментальные данные и их анализ Результаты измерений приведены в таблице 1:

Таблица 1

По измеренным данным построены графики:

Вольт-амперные характеристики диода Д237А Вольт-амперные характеристики стабилитрона Д811

По начальному участку обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода определяем ток насыщения диода.

Iнас = 36.6 мкА.

По обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона определяем напряжение пробоя (напряжение стабилизации).

Unp = 12 В.

Материал, из которого изготовлен стабилитрон — это кремний, следовательно

Ед=1,12 эв. Тип p-n перехода — резкий несимметричный, поэтому применяем формулу:

Вывод

стабилитрон диод полупроводник

В процессе лабораторной работы были изучены закономерности протекания тока в p-n переходе. Были построены вольтамперные характеристики p-n перехода, определен ток насыщения диода и напряжение пробоя (напряжение стабилизации). Была рассчитана концентрация основных носителей в базе диода. Из вольтамперной характеристики диода наблюдаем, что при малом падении напряжения на диоде через него протекает значительный ток, то есть сопротивление диода в прямом направлении мало, а в обратном направлении ток через диод во много раз меньше, то есть его сопротивление в обратном направлении велико, что характеризует диод как полупроводниковый прибор, обладающий односторонней проводимостью.

Из вольтамперной характеристики стабилитрона видим, что при обратной проводимости стабилитрона ток через p-n переход в начале характеристики обратной проводимости возрастает мало, а затем, при достижении напряжения близком к напряжению стабилизации резко возрастает, эта особенность стабилитрона используется при стабилизации напряжения на нагрузке.