1.3 Описание работы

Запуск пакета Electronics Workbench осуществляется нажатием левой клавиши мыши на ярлык программы Electronics Workbench Pro на рабочем столе или воспользовавшись меню пуск / программы / Electronics Workbench / Electronics Workbench Pro. Выбираем необходимые элементы схемы в окошках, соединяем, запускаем схему, проводим необходимые измерения.

Приборы и элементы: Функциональный генератор, мультиметр, осциллограф, источник постоянного напряжения, диод, резисторы.

1.4 Порядок выполнения работы

1.4.1 Измерение напряжения и вычисления тока через диод

Смоделируйте и включите схему (рис. 1.1). мультиметр покажет напряжение на диоде U_пр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде U_об. при обратном смещении. Запишите показания. Вычислите ток диода при прямом I_пр и обратном I_об смещении согласно формулам (1.1) и (1.2).

1.4.2 Измерение тока

Смоделируйте и включите схему (рис. 1.2). Мультиметр покажет ток диода I_пр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток I_об - при обратном смещении. Запишите показания.

1.4.3 Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ. Смоделируйте и включите схему (рис.1.3).

Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В; 4 В; 3 В;

2 В; 1 В; 0,5 В, 0 В запишите значение напряжения U_пр и тока I_пр диода в таблицу 1.

б) Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В; 5 В; 10 В; 15 В запишите значения тока I_об и напряжения U_об в таблицу 2.

в) По полученным данным постройте графики I_пр(U_пр) и I_об(U_об)

г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при I_пр =4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для I_пр = 0,4 мА и I_пр = 0,2 мА. Запишите ответы.

д) Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные.

е) Вычислите сопротивление диода на постоянном токе I_пр = 0.4 мА по формуле R_ст= U_np /I_пр.

ж) Определите напряжение изгиба. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещённого в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

1.4.4 Получение вах на экране осциллографа

Смоделируйте и включите схему (рис. 1.4). На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите величину напряжения изгиба.

а) Прямая ветвь ВАХ б) Обратная ветвь ВАХ

Таблица 1 Таблица 2

Е, В	Uпр, В	Iпр, мА
5
4
3
2
1
0,5
0

Е, B	Uоб, В	Iоб, мА
0
5
10
15

1.5 Задание на лабораторную работу

Марка исследуемого диода для каждой бригады выдается преподавателем.

1.6 Контрольные вопросы

1. Сравните напряжение на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

2. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

3. Что такое ток насыщения?

4. Существуют ли различия между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?

5. p - n переход и его свойства?

Лабораторная работа №2

«Стабилитроны»

2.1 Цель работы:

Исследование стабилитронов с использованием пакета Electronics

Workbench.

2.2 Теоретическое введение

Опорными (стабилитронами) называются полупроводниковые диоды, на вольтамперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. На рис.1 приведены схемное обозначение опорного диода (а) и его ВАХ (б). Рабочий участок ВАХ опорного диода находится в области электрического (полевого или лавинного) про­боя р-п перехода. В настоящее время промышленностью выпускают­ся в основном кремниевые опорные диоды с напряжением пробоя более 3 В (практически совпадающим с напряжением стабилизации).

Поскольку напряжение электрического пробоя непосред­ственно связано с удельным сопротивлением базы диода, то можно считать, что опорные диоды на низкие напряжения ста­билизации изготавливаются из низкоомного материала (полевой пробой), тогда как высоковольтные р-п переходы имеют доста­точную ширину и в них лавинный пробой начинается при доста­точно больших обратных напряжениях. Обычно считают, что в опорных диодах с пробивным напряжением U_пр ≤ 7 В имеет место полевой, а с U_пр ≥ 15 В — лавинный пробой. При U_пр = 7…15 В пробой определяется действи­ем как лавинного, так и полевого механизмов (смешан­ный пробой).

а)

Рис. 1

Опорные диоды обычно характеризуются следующими параметрами: напряжением стабилизации U_ст , током стабилизации I_ст , динамическим (дифференциальным) сопро­тивлением в режиме стабили­зации r_д = dU / dI , стати­ческим сопротивлением r_ст = U_ст / I_ст, коэффициентом качества Q_к = r_д / R_ст ; температурным коэффициентом напряжения стабилизации. Вообще говоря, напряжения пробоя и стабилизации будут охватывать некоторую область. Поэтому для однозначного определения на вольтамперной характеристике диода некото­рой точки, напряжение в которой можно принять за напряжение стабилизации, необходимо задаться определенным значением тока. Всякое отклонение от этого значения будет приводить к изменению напряжения на диоде. Чем меньше изменения напря­жения соответствуют наперед заданным изменениям тока, тем лучшую стабилизацию обеспечит опорный диод. Ток стабилизации I_ст определяется как средний рабочий ток диода. Помимо этого тока в справочниках на опорные диоды иногда указы­ваются значения минимального и максимального токов стаби­лизации.

Динамическое сопротивление r_д, определяющее наклон ВАХ в области электрического пробоя, характеризует степень стабили­зации. Чем меньше r_д, тем лучше стабилизация. Минимальные значения r_д наблюдаются у диодов с U_пр ≈ 7 В. Статическое со­противление R_ст характеризует потери в опорном диоде для за­данной рабочей точки. Коэффициент качества определяет, в от­личие от динамического сопротивления, не просто наклон ВАХ, а его отношение к напряжению стабилизации. Современные кремниевые опорные диоды имеют коэффициент качества по­рядка

0,01 ... 0,05 и ниже.

Исключительно важным параметром опорных диодов являет­ся температурный коэффициент напряжения стабилизации. С изменением температуры напряжение пробоя изменяется. Ха­рактер этого изменения и соответственно знак ТКН определяют­ся видом электрического пробоя.

В сильнолегированных р-п переходах имеет место полевой пробой, который определяется при прочих равных условиях шириной запрещенной зоны исходного полупроводника. Темпе­ратурная зависимость пробивного напряжения в этом случае будет определяться процессами термогенерации. С ростом тем­пературы вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости возрастает и, следовательно, напряжение пробоя падает. Таким образом, низковольтные опорные диоды имеют отрицательный ТКН.

В слаболегированных р-п переходах имеет место лавинный пробой, который определяется при прочих равных условиях скоростью носителей заряда в обедненном слое, необходимой для ударной ионизации валентных связей. Поэтому температур­ная зависимость пробивного напряжения будет определяться температурной зависимостью скорости носителей заряда. С рос­том температуры скорость носителей заряда уменьшается, по­скольку уменьшается их подвижность. Поэтому для того чтобы при меньшей подвижности носитель заряда при­обрел скорость, необходимую для ударной ионизации, необхо­димо увеличить напряженность электрического поля в обеднен­ном слое, что достигается за счет увеличения обратного напря­жения. Таким образом, в высоковольтных опорных диодах U_np увеличивается с возрастанием температуры, т. е. ТКН имеет по­ложительный знак.

Изменение знака ТКН происходит при концентрациях примесей в слаболегированной области опорного диода (базе) порядка 5·10¹⁶ см^-3. В этой области

(U_пр = 5…6 В) изменения напряжения стабилизации с изменением температуры будут минимальны, типовые значения ТКН не более 0,2 … 0,4 % / град.

Следует отметить, что работа опорных диодов при стабилизации малых токов не всегда возможна, поскольку в этом режиме наблюдается большие шумы. При возрастании тока стабилизации (обычно I_ст ≥ 3 мА) шумы уменьшаются до уровней, позволяющих осуществлять качественную стабилизацию напряжения.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис.2).

Последовательно со стабилитроном в цепь источника постоянного тока включено балластное сопротивление R_б для ограничения тока, а параллельно стабилитрону — нагрузка. Полярность источника питания Е соответствует обратному напряжению на стабилитроне. Для получения отрицательного выходного напряжения достаточно изменить полярность входного напряжения и последовательность включения электродов стабилитрона.

При увеличении напряжения питания Е при постоянном R_н увеличивается ток в цепи, протекающий через балластное сопротивление и стабилитрон. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке U_н = U_ст остается неизменным, а избыток напряжения питания гасится на балластном сопротивлении R_б.

В случае изменения сопротивления нагрузки R_н при постоянной величине Е

(рис. 3) ток через R_б остается неизменным, но происходит перераспределение токов между стабилитроном и нагрузкой, а напряжение на стабилитроне и нагрузке все равно остается неизменным.

Ток I_ст стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R.

,

Напряжение стабилизации стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона вычисляется как произведение тока на напряжение :

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

Рис. 2 Рис. 3