лабораторные работы / отчет по полупроводниковым диодов

Цель работы : исследование характеристик полупроводникового диода (ППД). Оценка погрешности измерений и вычисление параметров ППД.

Приборы и материалы: Для выполнения лабораторной работы используется экспериментальный стенд, амперметр, вольтметр, полупроводниковый диод любого типа, источник питания.

Эксперементальный стенд выполнен в виде платы, по периметру которой размещены потенциометры RP1, RP2 и тумблеры SA1, SA2,SA3.

RP1 используется для грубой установки напряжения, RP2 – для более плавной. Амперметр и вольтметр используются соответственно для измерения тока, протекающего через диод, и напряжения, приложенного к нему.

Диод VD1 (маломощный германиевый диод) подключают к источнику питания через токоограничивающий резистор R1.

Методика выполнения эксперимента.

Последовательность выполнения работы

1. Установить движки обоих потенциометров в крайнее нижнее положение, когда ток и напряжение имеют нулевые значения.

2. Для прямого включения диода установить переключатель SA1 в нижнее положение.

3. Установить движок RP2 в середину

4. Постепенно перемещая движок потенциометра RP1, измерить ток и напряжение (не мение 10 измерений).

5. Для обратного включения диода установить переключатель SA1 в верхнее положение. Повторить пункты 3,4ю

6. Показания приборов занести в таблицу 1.

Таблица 1.Результаты эксперимента

№ п/п	Прямое включение		Обратное включение
	Uпр, В	IA, A10-3	Uобр, В	IA, A10-6
1	0,05	0,04	0.5	11
2	0,1	0,17	1	16
3	0,15	1,6	1,5	24
4	0,2	3	2	30
5	0,25	7	2,5	37
6	0,3	15	3	50
7	0,35	20	3,5	64
8	0,4	60	4	107
9	0,45	110	4,5	140
10	0,5	180	5	200

Обработка результатов измерений.

1. Вычисление тока через диод. В данной схеме диод и вольтметр включены параллельно, а амперметр с ними последовательно, поэтому ток через диод находим по формуле :

,

где I_A – показания амперметра, A;

I_d – ток через диод, A;

I_V - ток через вольтметр, A.

,

где R_V - сопротивление вольтметра (указано на приборе ), Ом.

.

Данные вычисления заносятся в таблицу 2.

Таблица 2. Расчетные параметры.

№ п/п	Прямое включение				Обратное включение
	Uпр, В	IA, A10-3	IV, A10-3	Id, A10-3	Uобр, В	IA, A10-6	IV, A10-6	Id, A10-6
1	0,05	0,04	0,25	0,21	0.5	11	0,0025	10,998
2	0,1	0,17	0,5	0,33	1	16	0,005	15,995
3	0,15	1,6	0,75	0,85	1,5	24	0,0075	23,99
4	0,2	3	1	2	2	30	0,01	29,99
5	0,25	7	1,25	5,75	2,5	37	0,0125	36,988
6	0,3	15	1,5	13,5	3	50	0,015	49,985
7	0,35	20	1,75	18,25	3,5	64	0,0175	63,983
8	0,4	60	2	58	4	107	0,02	106,98
9	0,45	110	2,25	107,75	4,5	140	0,0225	139,98
10	0,5	180	2,5	177,5	5	200	0,025	199,998

Расчеты смотреть в приложении 1

2. Построение ВАХ диода. По данным таблицы 2, построить график

зависимости силы тока от напряжения и .

3. Расчет дифференциального сопротивления диода. Определите по экспериментальной ВАХ диода значения дифференциального сопротивления для всех точек измерений:

, то есть =

Где

U_d’ – это среднеарифметическое значение напряжения, которое вычисляется по формуле:

…

Данные вычисления заносим в таблицу 3.

Таблица 3.Расчетные значения дифференциального сопротивления диода.

№ п/п	Прямое включение		Обратное включение
	,Ом	Ud’,B	, Ом106	Ud’,B
1	416,7	0,075	0,1	0,75
2	96,2	0,125	0,083	1,25
3	43,5	0,175	0,072	1,75
4	13,3	0,225	0,055	2,25
5	10,5	0,275	0,038	2,75
6	6,5	0,325	0,026	3,25
7	1,3	0,375	0,015	3,75
8	1	0,425	0,012	4,25
9	0,7	0,475	0,008	4,75

Расчеты смотреть в приложении 2

4. Построение . По данным таблицы 3, построить график зависимости дифференциального сопротивления диода от приложенного напряжения.

5. Расчет погрешности измерений.

Измерения всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной рядом известных и неизвестных причин.

Определите абсолютную погрешность измерений:

где

– относительная погрешность (КТП). КТП = 1.5%

ΔR_i =

Данные вычисления заносим в таблицу 4.

Таблица 4. Результаты расчета погрешностей измерений.

№ п/п	Прямое включение					Обратное включение
	Ud’,B	I’,мА	ΔU, B	ΔI, A10-3	ΔR, Ом	Ud’,B	I’, мкА	ΔU, B	Δ I, A10-6	ΔR, Ом
1	0,075	0,21	0,0011	0,003	0,0016	0,75	10,998	0,011	0,165	0,017
2	0,125	0,33	0,0019	0,005	0,0027	1,25	15,995	0,19	0,24	0,028
3	0,175	0,85	0,0026	0,013	0,0037	1,75	23,99	0,36	0,36	0,038
4	0,225	2	0,0034	0,03	0,0048	2,25	29,99	0,45	0,45	0,048
5	0,275	5,75	0,0041	0,086	0,0058	2,75	36,988	0,55	0,55	0,058
6	0,325	13,5	0,0049	0,203	0,0069	3,25	49,985	0,75	0,75	0,071
7	0,375	18,25	0,0056	0,274	0,0079	3,75	63,983	0,96	0,96	0,08
8	0,425	58	0,0064	0,87	0,0091	4,25	106,98	1,605	1,605	0,092
9	0,475	107,75	0,0071	1,616	0,01	4,75	139,98	2,1	2,1	0,1

Расчеты смотреть в приложении 3

Вывод

При выполнении работы мы познакомились с принципом работы полупроводникового диода и его включением в электрическую цепь, а также измерили его основные параметры и рассчитали дифференциальное сопротивление при различных значениях напряжения. Нами была построена вольт-амперная характеристика диода (т.е. зависимость тока через диод от напряжения на нем), используя измеренные значения тока и напряжения, и зависимость дифференциального сопротивления диода от напряжения используя рассчитанные значения. В результате произведенных измерений и вычислений мы убедились, что:

- прямой ток через диод намного больше обратного, то есть диод пропускает ток преимущественно в одном направлении;

- ток через диод изменяется при изменении напряжения по нелинейному закону вблизи 0 и линейно при больших напряжениях;

- дифференциальное сопротивление диода вблизи 0 (на нелинейном участке вольт-амперной характеристики) зависит от приложенного напряжение, а при больших напряжениях (на линейном участке) постоянно;

- при изменении полярности приложенного напряжения дифференциальное сопротивление диода меняется на несколько порядков;

- диод представляет собой электронный ключ с 2 состояниями (характеризующимися существенно различными дифференциальными сопротивлениями), переключающийся при измени полярности приложенного напряжения; конечным состояниям ключа соответствуют области с постоянным (не зависящим от напряжения) дифференциальным сопротивлением; промежуточное состояние ключа (во время переключения) соответствует области с нелинейно зависимостью тока от напряжения.

Таким образом, можно использоваться диод либо как ключ, пропускающий ток только в одном направлении, используя линейные участки ВАХ, либо как нелинейный элемент, используя нелинейный участок вольт-амперной характеритистики.

Приложение 1

Вычисление тока через диод.

R_V = 200Ом

Определим ток через вольтметр I_V для всех измерений:

Прямое включение Обратное включение

I_V1 = 0,05/200 = 0.25(A10^-3); I_V1 = 0.5/200 = 0,0025 (A10^-6);

I_V2 = 0,1/200 = 0,5(A10^-3); I_V2 = 1/200 = 0,005 (A10^-6);

I_V3 = 0,15/200 = 0,75 (A10^-3); I_V3 = 1,5/200 = 0,0075 (A10^-6);

I_V4 = 0,2/200 = 1 (A10^-3); I_V4 = 2/200 = 0,01 (A10^-6);

I_V5 = 0,25/200 = 1,25 (A10^-3); I_V5 = 2,5/200 = 0,0125 (A10^-6);

I_V6 = 0,3/200 = 1,5 (A10^-3); I_V6 = 3/200 = 0,015 (A10^-6);

I_V7 = 0,35/200 = 1,75 (A10^-3); I_V7 = 3,5/200 = 0,0175 (A10^-6);

I_V8 = 0,4/200 = 2 (A10^-3); I_V8 = 4/200 = 0,02 (A10^-6);

I_V9 = 0,45/200 = 2,25 (A10^-3); I_V9 = 4,5/200 = 0,0225 (A10^-6);

I_V10 = 0,5/200 = 2,5 (A10^-3). I_V10 = 5/200 = 0,025 (A10^-6).

Определим ток через диод I_d для всех измерений:

Прямое включение Обратное включение

I_d1 = 0,04 –0,25= 0,21 (A10^-3); I_d1 = 11– 0,0025= 10,998 (A10^-6);

I_d2 = 0,17–0,5= 0,33(A10^-3); I_d2 = 16 – 0,005= 15,995 (A10^-6);

I_d3 = 1,6–0,75 = 0,85 (A10^-3); I_d3 = 24 – 0,0075= 23,99 (A10^-6);

I_d4 = 3 –1= 2(A10^-3); I_d4 = 30 – 0,01= 29,99 (A10^-6);

I_d5 = 7 – 1,25= 5,75 (A10^-3); I_d5 = 37 – 0,0125= 36,988 (A10^-6);

I_d6 = 15 –1,5= 13,5 (A10^-3); I_d6 = 50 – 0,015= 49,985 (A10^-6);

I_d7 = 20 – 1,75 = 18,25 (A10^-3) ; I_d7 = 64– 0,0175= 63,983 (A10^-6);

I_d8 = 60 – 2 = 58(A10^-3); I_d8 = 107– 0,02= 106,98 (A10^-6);

I_d9 = 110– 2,25= 107,75 (A10^-3); I_d9 = 140 –0,0225= 139,98 (A10^-6);

I_d10 = 180 – 2,5= 177,5 (A10^-3) . I_d10 = 200 –0,025 = 199,998 (A10^-6).

Приложение 2

Расчет дифференциального сопротивления диода.

Прямое включение Обратное включение

10³=416,7 (Ом) R_диф1 = 10⁶=0.1(Ом10⁶)

R_диф2 = 10³=96,2 (Ом) R_диф2 = 10⁶=0,083 (Ом10⁶)

R_диф3 = 10³=43,5 (Ом) R_диф3 = 10⁶=0,072 (Ом10⁶)

R_диф4 = 10³=13,3 (Ом) R_диф4 = 10⁶=0,055 (Ом10⁶)

R_диф5 = 10³=10,5 (Ом) R_диф5 = 10⁶=0,038 (Ом10⁶)

R_диф6 = 10³=6,5 (Ом) R_диф6 = 10⁶=0,026 (Ом10⁶)

R_диф7 = 10³=1,3 (Ом) R_диф7 = 10⁶=0,015 (Ом10⁶)

R_диф8 = 10³=1 (Ом) R_диф8 = 10⁶=0,012 (Ом10⁶)

R_диф9 = 10³=0.7(Ом) R_диф9 = 10⁶=0,008 (Ом10⁶)

Вычисление среднеарифметического значения напряжения U_d’

Прямое включение Обратное включение

U_d1’ = =0,075 (В) U_d1’ = =0,75 (В)

U_d2’ = =0,125 (B) U_d2’ = =1,25 (B)

U_d3’ = =0,175 (B) U_d3’ = =1,75 (B)

U_d4’ = =0,225 (B) U_d4’ = =2,25 (B)

U_d5’ = =0,275 (B) U_d5’ = =2,75 (B)

U_d6’ = =0,325 (B) U_d6’ = =3,25 (B)

U_d7’ = =0,375 (B) U_d7’ = =3,75 (B)

U_d8’ = =0,425 (B) U_d8’ = =4,25 (B)

U_d9’ = =0,475 (B) U_d9’ = =4,75 (B)

Приложение 3

Расчет погрешности измерений.

Абсолютная погрешность измерений:

ΔU_i = U’_di ∙ δ, ΔI_i = I’_i ∙ δ,

Где U’_di - среднеарифметическое значение напрояжения , В;

I’_i – ток, который находим из графика ВАХ для U’_di, А;

δ – относительная погрешность (КТП).

КТП 98,5%

Прямое включение Обратное включение

ΔU_d1’ = 0,075*0.015=0,0011 (B) ΔU_d1’ = 0,75*0.015=0,011 (B)

ΔU_d2’ = 0,125*0.015=0,0019 (B) ΔU_d2’ = 1,25*0.015=0,19 (B)

ΔU_d3’ = 0,175*0.015=0,0026 (B) ΔU_d3’ = 1,75*0.015=0,36 (B)

U_d4’ = 0,225*0.015=0,0034 (B) ΔU_d4’ = 2,25*0.015=0,45 (B)

ΔU_d5’ = 0,275*0.015=0,0041 (B) ΔU_d5’ = 2,75*0.015=0,55 (B)

ΔU_d6’ = 0,325*0.015=0,0049 (B) ΔU_d6’ = 3,25*0.015=0,75 (B)

ΔU_d7’ = 0,375*0.015= 0,0056 (B) ΔU_d7’ = 3,75*0.015=0,96 (B)

ΔU_d8’ = 0,425*0.015=0,0064 (B) ΔU_d8’ = 4,25*0.015=1,605 (B)

ΔU_d9’ = 0,475*0.015=0,0071 (B) ΔU_d9’ = 4,75*0.015=2,1 (B)

Прямое включение Обратное включение

ΔI₁ = 0,21*0.015*10^-3 = 0,003 (мА) ΔI₁ = 10,998*0.015*10^-6 =0,165 (мкА)

ΔI₂ = 0,33*0.015*10^-3 = 0,005 (мА) ΔI₂ = 15,995*0.015*10^-6 =0,24 (мкА)

ΔI₃ = 0,85*0.015*10^-3 = 0,013 (мА) ΔI₃ = 23,99*0.015*10^-6 = 0,36 (мкА)

ΔI₄ = 2*0.015*10^-3 = 0,03 (мА) ΔI₄ = 29,99*0.015*10^-6 =0,45 (мкА)

ΔI₅ = 5,75*0.015*10^-3 = 0,086 (мА) ΔI₅ = 36,988*0.015*10^-6 =0,55 (мкА)

ΔI₆ = 13,5*0.015*10^-3 = 0,203 (мА) ΔI₆ = 49,985*0.015*10^-6 =0,75 (мкА)

ΔI₇ = 18,25*0.015*10^-3 = 0,274 (мА) ΔI₇ = 63,983*0.015*10^-6 =0,96(мкА)

ΔI₈ = 58*0.015*10^-3 =0,87 (мА) ΔI₈ = 106,98*0.015*10^-6 =1,605 (мкА)

ΔI₉ = 107,75*0.015*10^-3 = 1,616 (мА) ΔI₉ = 139,98*0.015*10^-6 =2,1(мкА)

ΔR_i =

Так как погрешность одинакова (амперметр и вольтметр – мультиметры одной модели) получаем:

ΔR_i =

Прямое включение Обратное включение

ΔR₁ = = 0,0016 (Ом) ΔR₁ = =0,017 (Ом)

ΔR₂ = =0,0027 (Ом) ΔR₂ = =0,028 (Ом)

ΔR₃ = =0,0037 (Ом) ΔR₃ = =0,038 (Ом)

ΔR₄ = =0,0048 (Ом) ΔR₄ = =0,048 (Ом)

ΔR₅ = =0,0058 (Ом) ΔR₅ = =0,058 (Ом)

ΔR₆ = =0,0069 (Ом) ΔR₆ = =0,071 (Ом)

ΔR₇ = =0,0079 (Ом) ΔR₇ = = 0,08 (Ом)