Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика М. Ф. Решетнева ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по курсу «Основы электроники»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ Выполнил Анисимова А.

Красноярск 2013

1. Цель работы Целью работы является:

* исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;

* исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона;

* исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы полупроводниковый диод стабилитрон сопротивление Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) р-n-переходов, называется диодом. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-n-переходов, например, явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

Выпрямительный диод Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции выпрямительные полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления — на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь р-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30А). Точечные диоды имеют малую площадь р-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В. Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через р-n-переход от температуры. Сплавные диоды обычно используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшим частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Стабилитрон Стабилитрон — это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении p-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным.

Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на p-n-переходе составляет, как правило, 0,7В…2 В, поэтому, стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление RБ.

Полупроводниковые выпрямители Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителей заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности напряжения, приложенного к входу выпрямителя. Существуют разновидности полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов и схемой их включения. Ниже рассмотрены некоторые из этих схем.

3. Описание лабораторного стенда В состав лабораторного стенда входят:

* базовый лабораторный стенд;

* лабораторный модуль Lab1А для исследования ВАХ выпрямительного диода КД103А и стабилитрона КС168А.

4. Задание 1. Исследование вольтамперной характеристики выпрямительного диода ВАХ при 0 В < E < 2В

Определение статического и дифференциального сопротивления полупроводникового диода

RСТ = UПР/IПР, rДИФ=?U/?I

E=1.18 В, IД=4.69мА, UД =0.71В

Rст1=0.71*1000/4.69=151.3 Ом

E=1.31 В, IД =5.87мА, UД =0.72В

Rст2=0.72*1000/5.87=122.6 Ом

rдиф=0.01*1000/1.18=8 Ом

E=0.65 В, IД==0.5мА, UД =0.6В

Rст1=0.6*1000/0.5=1200 Ом

E=0.73 В, IД==0.98мА, UД =0.63В

Rст2=0.63*1000/0.98=642.8 Омrдиф=0.03*1000/0.48=62.5 Ом сопротивление диода в прямом направлении составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении составляет единицы мегаом;

обычно Rвых = 50 — 2000 Ом Напряжение изгиба: E=0.49 В, UД =0.49 В, IД==0.04мА.

5. Задание 2. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона ВАХ стабилитрона при -10 В < E < 2 В Напряжения пробоя

E=-8 В, UД =-7.03 В, IД=-7.99мА Определение дифференциального сопротивления стабилитрона

rДИФ =?UСТ/?IСТ

E=-6.82В UД =-6.82 В IД==-0.01мА

E=-8.16В UД =-7.03 В IД==-7.98мА

rдиф=0.21/7.97=0.026 Ом Для маломощного стабилитрона 2С133 В дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом. Стабилитроны большей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например, КС433А — 25 Ом при 30 мА. Дифференциальное сопротивление низковольтных лавинных диодов (LVA) примерно на порядок ниже, чем в «обычных» стабилитронах: например, для LVA351 (напряжение 5,1 В, мощность 400 мВт) оно не превышает 10 Ом при токе 10 мА.

6. Задание 3. Исследование работы однополупериодного полупроводникового выпрямителя

Uвыхmax=0.94 В Средневыпрямленное значение напряжения на выходе выпрямителя

UСР.ВЫПР.= UВЫХ. МАХ/?

UСР.ВЫПР =0.94/3.14=0.3

При однополярных напряжениях среднее значение (постоянная составляющая) равно средневыпрямленному. При разнополярных напряжениях эти значения различны. Например, для синусоидального напряжения U₀ = 0, a U_срв = 0,637U_max

Периоды одинаковые, максимальное обратное напряжение на диоде равно 2В