Лабораторная работа № 6 Исследование характеристик диодов

Цель работы – ознакомление с работой выпрямительного диода, диода Шоттки и стабилитрона, а также исследование их характеристик.

Основные сведения о диодах

Полупроводниковыми диодами называются двухэлектродные приборы c односторонней проводимостью тока. Односторонняя проводимость обуславливается наличием p-n-перехода или перехода металл – полупроводник. Различия ВАХ диода с p-n-переходом и диода Шоттки с переходом металл-полупроводник представлены на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. ВАХ диодов

Сравнивая ВАХ выпрямительного диода на p-n-переходе и диода Шоттки можно сделать следующие выводы: прямое падение напряжения на диоде Шоттки меньше в 2,5-3 раза, чем на диоде с p-n-переходом при одном и том же прямом токе; напряжение открытия диода Шоттки близко к 0, а у диода с p-n-переходом составляет десятые доли вольт, поэтому они не пригодны для выпрямления слабых сигналов; обратный ток диода с p-n-переходом меньше обратного тока диода Шоттки при одинаковых обратных напряжениях.

Как известно, на работу полупроводникового диода значительное влияние оказывает частота протекающего через него тока. Это связано с наличием паразитной емкости и инерционностью диода.

Емкость p-n-перехода складывается из двух частей: барьерной емкости С_бар и диффузионной емкости С_диф.

Существование барьерной емкости обусловлено наличием ионов примесей в p-n-переходе. При этом p- и n-области можно рассматривать, как заряженные обкладки конденсатора, где в качестве диэлектрика выступает обедненный слой. Величина данной емкости зависит от площади p-n-перехода, концентрации носителей заряда, диэлектрической проницаемости материала полупроводника и приложенной разности потенциалов.

Наличие диффузионной емкости связано с изменением количества неравновесных носителей заряда в p-и n-областях. Диффузионная емкость характеризует инерционность движения неравновесных зарядов. Величина этой емкости пропорциональна времени жизни неосновных носителей заряда и зависит также от других факторов. При работе диода в цепи переменного тока барьерная и диффузионная емкости шунтируют p-n-переход, что особенно сильно сказывается на высоких частотах.

Для того чтобы диод перешел из открытого состояния в закрытое, необходимо некоторое время. Если диод открыт, то через p-n-переход протекает прямой ток, обусловленный перемещением основных носителей заряда. В том случае, если мгновенно изменить полярность напряжения, то основные носители зарядов, не успевшие рекомбинировать, будут перемещаться в обратном направлении. Поэтому после смены полярности напряжения через диод в течение некоторого времени будет протекать ток. Таким образом, с увеличением частоты выпрямительные свойства полупроводниковых диодов ухудшаются.

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота f_гр, при которой сила выпрямленного тока уменьшается на 30 % относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте. Одним из преимуществ диодов Шоттки является возможность использования их на значительно более высоких рабочих частотах. Это связано с тем, что в диодах Шоттки неосновные носители не используются. В связи с этим пропадает проблема накопления заряда.

Разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Тогда, если параллельно стабилитрону подключить нагрузку, то напряжение на ней тоже не будет изменяться. Стабилитрон характеризуется следующими основными параметрами: минимальный и максимальный токи стабилизации, напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации. На рис. 6.2 показана ВАХ стабилитрона, где Uстаб - напряжение стабилизации.
	Рис. 6.2. ВАХ стабилитрона

Порядок выполнения исследований

1. Включить стенд, мультиметры и осциллограф.

2. Собрать схему для снятия прямой ветви ВАХ диодов с шунтирующим сопротивлением R1 = 620 Ом (рис. 6.3). Диоды подключать, обязательно соблюдая полярность (для прямой ветви красный провод – к источнику питания, черный – к заземлению). В работе исследуются полупроводниковый диод 1N4007 (зеленая метка) и диод Шоттки 1N5819 (желтая метка). Обратите внимание, что вольтметр подключен после амперметра и на его показания не влияет падение напряжения на амперметре, которое соизмеримо с прямым падением напряжения на диоде. В то же время ток через вольтметр несоизмеримо мал с прямым током диода и не вносит заметной погрешности в показания амперметра.

3. Изменяя входное напряжение, снять прямую ветвь ВАХ исследуемых диодов. Измеренные значения занести в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

Исследование прямой ветви ВАХ диодов

I, мА		1	2	5	10	15	20	25	30	35	40
U, В	1N4007
	1N5819

4. Для исследования характеристик диодов при работе с переменными сигналами собрать схему с полупроводниковым диодом, изображенную на рисунке 6.4. Установить на выходе генератора однополярный сигнал прямоугольной формы частотой 50 Гц. Убедиться в отсутствии искажения сигнала при прохождении через схему. Зафиксировать полученную осциллограмму.

A

34

D1

Рис. 6.3. Схема исследования прямой ветви ВАХ диодов

Рис. 6.4. Схема исследования диодов на различной частоте

5. Постепенно увеличивать частоту генерируемого сигнала до появления искажений сигнала, при этом одновременно изменяя временную развертку осциллографа. Записать установленную частоту, зафиксировать осциллограмму.

6. Удвоить частоту, найденную в п. 5, и зафиксировать осциллограмму.

7. Повторить измерения пп. 4-6 для диода Шоттки

8. Собрать схему для измерения обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона в соответствии с рис. 3.3 (косвенным методом), при этом стабилитрон подключать, обязательно соблюдая полярность (черный провод – к источнику питания, красный – к заземлению).

Рис. 3.3. Схема косвенного измерения ВАХ

9. Снять ВАХ стабилитрона и занести результаты в протокол. Поскольку при достижении напряжения U_стаб начинается быстрый рост тока, то в области U_стаб характеристика снимается с очень малым шагом, ориентируясь на показания вольтметра, подключенного к R1, что отражено в таблице протокола.

Содержание отчета

1. Цель работы, схемы измерений.

2. Вольтамперные характеристики диодов (прямые ветви) в виде таблиц и графиков.

3. Осциллограммы сигналов, полученные в пп. 4-7 (с указанием осей и размерностей).

4. Вольтамперная характеристика стабилитрона (прямая ветвь) в виде таблицы и графика

5. Выводы с анализом полученных характеристик.