Федеральное агентство по образованию
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Сургутский филиал
А.А. Руппель, А.А. Сидоренко
Лабораторный практикум по дисциплине «Общая электротехника и электроника» в программе Elektronics Workbench
Сургут 2009
Лабораторная работа № 1
Исследование полупроводниковых диодов
Цель:
исследование напряжения и тока при прямом и обратном смещении p-n перехода;
построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода;
исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике;
построение обратной ветви изгиба стабилитрона и определение напряжения стабилизации;
определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной характеристике.
Приборы и оборудование: Полупроводниковый диод 1N4001, полупроводниковый стабилитрон 1N4733; резисторы, источники постоянной ЭДС, амперметры, вольтметры.
Краткие сведения из теории.
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним n-p-переходом и двумя выводами. В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. Основой их являются пластинки германия, кремния, арсенида галлия и других соединений.
В точечном диоде заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью вплавляется при помощи импульса тока к пластинке полупроводника. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси и образуют область с другим типом проводимости (процесс называется формовкой диода). Возле иглы получают миниатюрный n-p-переход полусферической формы. Точечные диоды имеют малую емкость n-p-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ, но могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер.
У плоскостных диодов площадь n-p-перехода значительно больше его толщины. Их изготавливают методами сплавления или диффузии. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500°C каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа. Диффузионный метод изготовления n-p-перехода состоит в том, что атомы примеси, находящиеся в газообразном состоянии, проникают в основной полупроводник диффузионным путем. Например, пластинку германия n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия, в результате на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и основной пластинки делают выводы. Плоскостные диоды обладают значительной емкостью (десятки пикофарад и более), поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток - от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.
Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Вывод (электрод) от p-слоя называют анодом, а вывод от n-слоя - катодом. Подразделяются на германиевые и кремниевые, последние более распространены, т.к. имеют более высокую предельную температуру (120 °С против 55 °С), обладают меньшими обратными токами и большими допустимыми обратными напряжениями, но прямое падение напряжения у кремниевых диодов больше (порядка 1 В против 0.3 В у германиевых).
Рис. 3.1. – Конструкция маломощных германиевых диодов Д7А – Д7Ж (а) и ВАХ диода Д7Ж(б).
По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0.3 А), средней (ток от 0.3 А до 10 А) и большой мощности (ток от 10 до 1000 А и выше). В силовых диодных сборках для увеличения прямого тока диоды включают параллельно, для увеличения обратного напряжения - последовательно, часто используют мостовое соединение, например, блок КЦ 402.
Рис. 3.2. – Конструкция кремневых выпрямительных диодов средней мощности Д202 – Д205 (а) и ВАХ диода Д205(б).
Стабилитроны - кремниевые диоды, специально предназначенные для стабилизации напряжения. Работают при обратном напряжении, которое в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочий участок ВАХ стабилитрона характеризуется напряжением стабилизации и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Изменение напряжения стабилизации при изменении тока через прибор характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона Rст . Выпускаются стабилитроны на напряжения стабилизации в диапазоне от 4 до 200 В, максимальный ток 0,01...10 А.
Варикапы - полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость емкости n-p-перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью для настройки колебательных контуров, а также в параметрических усилителях. Для изготовления варикапов используют кремний. Основными параметрами являются общая емкость Cв, обычно фиксируемая при небольшом напряжении 2...5 В , и коэффициент перекрытия по емкости Kc=Cmax / Cmin .
Обращенные диоды представляют разновидность туннельных диодов. Их изготавливают на основе полупроводников с критической концентрацией примесей. При прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и на ВАХ нет падающего участка. Зато при обратном напряжении туннельный ток значителен и диод хорошо пропускает ток в обратном направлении.
Светодиоды - полупроводниковые приборы, в которых n-p-переход излучает свечение. Этим свойством обладают полупроводники на основе карбида кремния, арсенида и фосфида галлия. При прохождении через n-p-переход прямого тока основные носители заряда инжектируют в соседние слои и рекомбинируют в граничных областях. При рекомбинации выделяется квант электромагнитной энергии (фотон). Применяются для контроля работоспособности электронных цепей и индикации.
Исследуемая схема показана на рис. 1.1.
а)
б)
Рисунок 3.1 – Экспериментальная схема (а) и экспериментальная модель в программе Electronics Workbench (б)