Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург




Скачать 481.38 Kb.
НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург
страница2/4
Дата конвертации24.12.2012
Размер481.38 Kb.
ТипМетодические указания
1   2   3   4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ




Цель работы: изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды, измерение их вольт - амперных характеристик и определение основных параметров .


  1. Методические указания по подготовке к работе


Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 1.1.





Рис. 1.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)


Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода

(1.1)



где: I0 – обратный ток насыщения;

φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U – напряжение, прикладываемое к диоду.

В уравнение (1.1) напряжение U подставляется со знаком «плюс» при включении диода в прямом направлении и со знаком «минус» при включении диода в обратном направлении. Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (1.1), представлен на рис. 1.2,а. При увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток Iобр, протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I0 уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I0.



Рис. 1.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:

а – теоретическая; б – экспериментальная


При выводе уравнения (1.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 1.2,б).

Отличие экспериментальной обратной ветви ВАХ диода от теоретической обусловлено наличием в реальном диоде не только диффузионного тока экстракции, но и дрейфового тока термогенерации, а также возможностью пробоя p-n-перехода. Ток термогенерации протекает вследствие выброса полем p-n-перехода подвижных носителей заряда, появляющихся в p-n-переходе в результате термогенерации. Так как при обратном напряжении электрическое поле существует только внутри p-n-перехода, то в токе термогенерации участвуют только те подвижные носители заряда, которые рождаются в самом p-n-переходе, т.е. внутри запирающего слоя. Поскольку количество генерируемых носителей зарядов в p-n-переходе пропорционально объему запирающего слоя, ширина которого пропорциональна , то при увеличении обратного напряжения ток термогенерации будет расти также по закону . Поэтому на ВАХ, снятой экспериментально, при увеличении Uобр до определенного значения наблюдается небольшой рост обратного тока. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 1.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80)0С, а кремниевых – (120-150)0С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R1 (рис. 1.3).

При прохождении прямого тока Iпр на сопротивлении R1 падает часть напряжения Uпр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:





Рис. 1.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода

с распределенным сопротивлением полупроводника


Поскольку Uзс < Uпр вольт – амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.

С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление запирающего слоя Rзс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении Uпр, сопротивлением запирающего слоя Rзс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

  • - максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

  • - максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

  • прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 1.2) с использованием следующих соотношений:

Rд пр = Uпр1 / Iпр1; Rд обр = Uобр / Iобр;


  • прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

r i .пр = ΔUпр / ΔIпр; r i. обр = ΔUобр / ΔIобр.

При этом значения приращений тока ΔI и напряжений ΔU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 1.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Так как допустимая плотность тока, проходящего через p-n-переход, не превышает 2А /1мм2 , то для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют p-n-переходы большой площади. Получающаяся при этом большая емкость p-n-перехода существенного влияния на работу выпрямительного диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ΔW. На рис. 1.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (1.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением Uобр, так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

Iпр Iпр

mA 500С 200С mA 500С 200С

200 200

Ge Si

100 100



2 1 0 0,2 2 1 0 0,5

Uобр Uпр Uобр Uпр

B B B B

2 0,01

Iобр Iобр

mA mA


Рис. 1.4. Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов


При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ΔW, так как увеличение ΔW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (1.1): вследствие меньшего значения I0 для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях Iпр, мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше Uпор и ri пр.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 100С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

2. Схемы исследования


Схемы исследования прямой и обратной ветви вольт – амперной характеристики выпрямительного диода представлены на рис. 1.5. Каждая из этих схем собирается поочередно в левом верхнем квадранте монтажного шасси с использованием комплекта соединительных проводов.




а)




б)


Рис. 1.5. Схемы исследования вольт – амперной характеристики выпрямительного диода: а – прямой ветви ВАХ, б – обратной ветви ВАХ.


Напряжение питания подается с гнезд источника стабилизированного напряжения Е-1, снабженного собственной цифровой индикацией и плавной регулировкой R9 выходного напряжения.

Измерения напряжения, приложенного к выпрямительному диоду, и постоянного тока, протекающего во внешней цепи диода, осуществляются с помощью цифровых тестеров серии MY6x. При этом тестер, используемый для измерения тока, всегда включается последовательно с исследуемым объектом; а тестер, используемый для измерения напряжения, всегда включается параллельно с исследуемым объектом.

Для измерения постоянного напряжения красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (V/Ω/Hz), а переключатель «род работы и пределы» (РРП) должен быть установлен в сектор V=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.

Для измерения постоянного тока красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (A), если измеряемый ток больше 200mA, либо к гнезду (mA), если измеряемый ток меньше 200mA. Переключатель РРП должен быть установлен в сектор A=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.


3. Порядок выполнения работы


3.1. На тестере ММ-1 переключатель РРП установить в положение (0С). Включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Определить температуру окружающей среды Токр.ср., считав показания тестера, и полученный результат занести в таблицы 1.1 и 1.2. Выключить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off).

3.2. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,а, используя тестеры ММ-2 и ММ-3, а в качестве исследуемого объекта германиевый выпрямительный диод Д305. Установить регулировку напряжения R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение, вращая ее против часовой стрелки. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-3 установить в секторе “A=” на предел измерения 10А, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «А». Убедиться, что расположенные на монтажном шасси переключатель П1 находится в положение «Выкл.», а переключатель П2 – в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки. После проверки схемы преподавателем включить тестеры ММ-2 и ММ-3 нажатием красных кнопок (on/off) и включить источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать прямую ветвь ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость Iпр = ƒ(Uпр), где Iпр – прямой ток, протекающий во внешней цепи диода, а Uпр – прямое напряжение, приложенное к диоду.

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-3 значения Iпр от 0 до 0,04A с шагом 0,01A, а от 0,04 до 0,28A с шагом 0,04A. При каждом значении Iпр с помощью тестера ММ-2 фиксировать значения Uпр и полученные результаты занести в таблицу 1.1.

Установить R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение. Заменить германиевый выпрямительный диод Д305 на кремниевый выпрямительный диод КД202А и аналогичным образом исследовать прямую ветвь его ВАХ при комнатной температуре. Результаты измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Токр. ср (0С)

Тип диода

Iпр, A

0

0,01

………

0,28




Д305

Uпр, В

0













КД202А

Uпр, В

0











Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3.

3.3. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,б, используя в качестве исследуемого объекта германиевый выпрямительный диод Д305. Для коммутации полярности подключенного источника питания Е-1 на противоположную установить переключатель П2, расположенный на монтажном шасси, в положение «Обр. ветвь ВАХ ГД, КС». Установить переключатель РРП тестера ММ-2 в секторе “V=” на предел измерения 20В, а тестера ММ-3 - в секторе “A=” на предел измерения 2mА, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «mА». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить тестеры ММ-2 и ММ-3 нажатием красных кнопок (on/off) и включить источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать обратную ветвь ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость Iобр = ƒ(Uобр), где Iобр – обратный ток, протекающий во внешней цепи диода, а Uобр – обратное напряжение, приложенное к диоду.

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-2 значения Uобр от 0 до -10В с шагом -1В. При каждом значении Uобр с помощью тестера ММ-3 фиксировать значения Iобр и полученные результаты занести в таблицу 1.2. Отметить Iобр при Uобр = -0,2В.


Таблица 1.2

Токр. ср (0С)

Тип диода

Uобр, В

0

- 0,2

-1

………

-10




Д305

Iобр, mA

0














Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3.

3.4. Открыть крышку термостата и, установив в ее гнезда германиевый выпрямительный диод Д305, вернуть крышку в исходное положение. Установить переключатель РРП тестера ММ-1 в положение (0С). Подключить к гнездам «TEMP» тестера ММ-1 желтую вилку термопары, соблюдая при этом «ключ» ее включения. Подключить термостат к гнездам “p” и “n” монтажного шасси с помощью соединительных проводов термостата, имеющих на конце аналогичные обозначения. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Включить термостат, для этого переключатель «Х» установить в положение «Вкл.», а переключатель «У» - в положение «ОХЛАЖДЕНИЕ». Когда показания на цифровом табло тестера ММ-1 достигнут значений -20С≤Токр.ср.≤00С, по аналогии с пунктом 3.3 провести исследование обратной ветви ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305. Результаты измерений занести в таблицу 1.3.

Отметить Iобр при Uобр = -0,2В.

Таблица 1.3

Токр. ср (0С)

Тип диода

Uобр, В

0

- 0,2

-1

………

-10




Д305

Iобр, mA

0














Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3. Термостат и тестер ММ-1 не выключать.

3.5. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,а. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-3 установить в секторе “A=” на предел измерения 10А, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «А». Установить переключатель П2, расположенный на монтажном шасси, в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы включить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3. По аналогии с пунктом 3.2 провести исследование прямой ветви ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при пониженной температуре окружающей среды. Результаты измерений занести в таблицу 1.4.

Установить R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение. Заменить германиевый выпрямительный диод Д305 на кремниевый выпрямительный диод КД202А. Через (10–15) мин исследовать прямую ветвь ВАХ диода КД202А при пониженной температуре. Результаты измерений занести в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

Токр. ср (0С)

Тип диода

Iпр, A

0

0,01

………

0,28




Д305

Uпр, В

0













КД202А

Uпр, В

0












Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить термостат, источник питания Е-1 и тестеры: ММ-1, ММ-2 и ММ-3.
1   2   3   4

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconИсследование полупроводниковых диодов
В лабораторных работах исследуются основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания к лабораторной работе «Исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов»
Цель работы: Исследовать основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов (ПД), влияние на них температуры окружающей...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полевых и биполярных транзисторов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ
Кузьмина Л. В. Статистика Часть Разделы общей статистики: Методические указания по выполнению лабораторных работ. – М.: Миит, 2011....

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconФизические основы электроники полупроводниковые диоды
Физические основы электроники, ” Электротехника и электроника ”, раздел Полупроводниковые диоды, даны указания студентам по выполнению...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «организация эвм» ижевск 2004
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по изучению методов синтеза регистров и счетчиков и их реализации...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconОбщие методические указания по организации лабораторных работ
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальностей

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Теплотехника»
Автоматизированная установка для исследования характеристик отопительных приборов и систем «Автономная система отопления»: методические...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ
«Производство строительных материалов, изделий и конструкций». Методические указания содержат краткие теоретические сведения о правилах...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов Санкт-Петербург iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ Дисциплина: «Инженерно-геологическое обеспечение дорожных работ»
Методические указания предназначены для студентов очной формы обучения по направлению 270100 «Строительство», специальности 270205...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница