Прямые ветви ВАХ полупроводниковых диодов
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К лабораторным работам для студентов направления подготовки
Электроника и наноэлектроника»
Профиль «Промышленная электроника»
Часть 2
Составители : С.А.Тебиева, Н.В.Макиева
Владикавказ 2015
Министерство образования и науки РФ
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)
Кафедра промышленной электроники
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К лабораторным работам для студентов направления подготовки
11.03.04. «Электроника и наноэлектроника»
профиль «Промышленная электроника»
часть 2
Составители : С.А.Тебиева, Н.В.Макиева
Владикавказ 2015
Содержание
Лабораторная работа №1
Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и стабилитронов
Лабораторная работа № 2
Типовые схемы на основе полупроводниковых диодов и стабилитронов
Введение
Методическое пособие содержит указания к шести виртуальным лабораторным работам по исследованию статических характеристик полупроводниковых элементов и переходных процессов в устройствах на их основе. В учебно-методическом пособии изложены основные сведения о свойствах и параметрах полупроводниковых диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов. Приведены элементарные схемы выпрямителей и ограничителей напряжения, особенности работы транзисторных ключей и схемотехнического моделирования процессов в электронных устройствах.
|
|
|
Пособие разработано на базе программы ElectronicsWorkbench 4.0 и составлено с учётом проведения лабораторных работ фронтальным методом в компьютерном классе кафедры промышленной электроники. Методические указания пособия рекомендованы студентам направлений, изучающих дисциплины электроника, и элементная база электроники.
Лабораторная работа №1
Вольтамперные характеристики полупроводниковых
Диодов и стабилитронов
Цель работы:определение вольтамперных характеристик (ВАХ) и электрических параметров полупроводниковых диодов, светодиодов и стабилитронов.
Теоретические положения
Полупроводниковые диоды
Условные графические обозначения диодов и светодиодов приведены на рисунке 1,а и 1,б соответственно, где А– анод и К– катод – 
Рисунок 1.1–УГО полупроводниковых диодов:
а – выпрямительных диодов, б – светодиодов.
Подобие стрелки в условном обозначении показывает, в каком направлении диод пропускает электрический ток по току ветвей сложных электрических цепей, а светодиодов – преобразование электрической энергии (тока) в световое излучение (поток фотонов).
|
|
|
Диоды изготавливают из полупроводниковых материалов (основные - германий и кремний), светодиоды – из широкозонных материалов (арсенида галлия). Для изготовления светодиодов, помимо арсенида галлия, применяют фосфид галлия, карбид кремния и твердые растворы арсенида галлия и фосфида галлия.
Основой диода является p-n-переход, состоящий из двух полупроводников с разным типом электропроводимости (электронной и дырочной). При этом электроны – основные носители электрического тока в n-области и неосновные – в p- области, а дырки – основные носители в p- области и неосновные – в n-области.
В диодах и биполярных транзисторах и в полевых транзисторах с изолированным затвором, с большими рабочими напряжениями, содержатся, изотипные контактные соединения, показанные на рис. 1.2.
Рис. 1.2 -Изотипные контактные соединения: а – n+-n- типа, б – p+-p-типа.
Схематическое изображение полупроводниковых диодов с большими пробивными напряжениями приведены на рис. 1.3.
Рис. 1.3 - Схематическое изображение высоковольтных диодов:
|
|
|
а – с n-базой, б – с p-базой.
Дополнительные n+- или p+- области в этих диодах не оказывают значительного влияния на физические процессы,протекающие в диоде, а создают металлический контакт со стороны высокоомной базы. В кремниевую пластину n-типа в специальных печах вводят атомы примеси – акцепторы (бор+алюминий), что и приводит ксозданию p+-n-перехода. При изготовлении n+-p-перехода исходным материалом является кремний p-типа, а атомами примеси (донорами) – фосфор. По аналогичной технологии изготавливают полупроводниковые структуры высоковольтных диодов. Основных носителей электрического тока в эмиттерах намного больше, чем в базах (на 2-3 порядка). При создании определенных условий эти носители можно перевести (инжектировать) из эмиттера в базу, что приведет к резкому уменьшению сопротивления базы и к протеканию тока через диод.
Принцип действия диода показан на рис. 1.4 , где Е – источник, формирующий постоянное напряжение U. В условиях теплового равновесия и при U=0, в приконтактной области p+-n -перехода образуется область, обедненная основными носителями электрического тока шириной W0 – область пространственного заряда с потенциальным барьером напряжением U0 («встроенный потенциал»), препятствующего протеканию электрического тока от анода к катоду диода по цепи (+)Е – диод – (-) Е. Если включить внешний источник напряжения так чтобы к аноды (+) а к катоду (-), прямое включение диода и увеличивать напряжение U, то это приведет к понижению потенциального барьера и уменьшению ширины ОПЗ. При этом если Uвнешн = U0 потенциальный барьер будет полностью скомпенсирован. При Uвнешн ≥U0, сопротивление ОПЗ р+-п-перехода уменьшится и ток I, протекающий через диод, начнет возрастать (прямая ветвь ВАХ диода).
|
|
|
Рисунок 1.4 - Схема работы выпрямительного диода.
Если полярность источника Е изменить на противоположную, как это показанона рис. 1.5, то с ростом U ширина ОПЗ - W будет возрастать, расширяясь в область высокоомной базы и создавая еще большее сопротивление протеканию электрического тока от катода к аноду. При этом током диода будет ток обратно смещенного p+-n-перехода, который с ростом Uобр будет слабо возрастать (обратная ветвь ВАХ диода). При увеличении Uобр до значения Uпроб диод выйдет из строя из-за электрического пробоя p+-n–перехода.
Рис. 1.5 - Схема работы диода при обратном смещении
p+ -n-перехода.
ВАХ диода – зависимость тока I, напряжения U – изображена на рис.1.6. , где U0 и UПРОБ - «встроенный потенциал» и напряжение пробоя p+-n-перехода(диода)соответственно. Пунктиром, показана ВАХ диода после пробоя.
Рисунок 1.6 - Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.
Для защиты от пробоя p+-n-перехода, диоды используют при напряжениях, U=Um=0.7Uпроб. Кроме того, для предотвращения пробоя из-за тепловых потерь,ток через диод, находящемся в проводящем состоянии,ограничивают на уровне, не превышающем значения I=Im. Параметры диода Um и Im указаны в справочных данных какмаксимально допустимые.
Параметры U0 и Uпроб диодов из разных полупроводниковыхматериалов приведены в таблице 1.1, где Ge – германий , Si – кремний , GaAs – арсенид галлия , GaP – фосфид галлия ,
Таблица. 1.1 - Значения «встроенного потенциала» (U0) и напряжения пробоя (Uпроб) полупроводниковых диодов
| Диоды | Выпрямительные | Светодиоды | |||
| Материал | Ge | Si | GaAs | GaP | SiC |
| U0 , В | 0,5 | 0,6 | 1,2 | 1,5 | 2,3 |
| Uпроб, В | до сотен | до 6000 | - | - | - |
SiC – карбид кремния. В этой таблице не приведены значения Uпроб светодиодов, так как они не превышают единиц вольт. Напрактике, для избегания электрического пробоя светодиода егосоединяют встречно-параллельно с кремниевым диодом, какэто показано на рис.1.8. При этом
Рисунок 1.8 – Схема защиты светодиода отэлектрического пробоя.
обратное напряжение, приложенное к светодиоду, незначительно превышаетнапряжение U0 шунтирующего его кремниевого диода.Диоды относят к классу биполярных полупроводниковыхприборов, так как ток, протекающий через диод, обусловленносителями обоих знаков – электронами и дырками.Действительно, при смещении p+-n-перехода в прямомнаправлении за счет подачи на диод от источника Eнапряжения U, превышающего значение U0, рис.1.5, изэмиттера в базу поступает поток дырок Ip, образующий протекающий в том же направлении ток дырок Ip. Так как p+-n-переход неидеальный, то навстречу потоку дырок из базы вэмиттер поступает поток электронов In, образуя ток электронов In, протекающий в том же направлении, что и ток дырок. При этом In<<Ip. Поток и ток электронов направлены встречновследствие отрицательного заряда электрона. Поэтому результирующий ток I в диоде равен сумме электронного идырочного токов:
I = Ip + In (1)
Процесс поступления неосновных носителей электрического тока из эмиттера в базу называют инжекцией, а эффективностьэтого процесса характеризуют коэффициентом инжекции p+-n-перехода:
γ =Ip/I (2)
В случае n+-p-перехода, γ = In/ I. При смещении p+-n-перехода в обратном направлении, рис.1.6 , ток через диод практически отсутствует. Рассмотренные выше физические процессы, протекающие в р+-п-переходе выпрямительного диода, реализуются и в светодиодах. Отличие состоит в том, что в светодиоде при смещении p+-n-перехода в прямом направлении, в результате рекомбинации электронно-дырочных пар в базе прибора, излучаются фотоны, образующие видимый свет, который через «окно» в полупроводниковой пластине светодиода выводится за его пределы. Площадь излучающего p+-n-перехода светодиода не превышает 1 мм². Поэтому ток светодиода, обеспечивающий световое излучение, находится в пределах 5- 50мА.
Стабилитроны
Условное обозначение стабилитрона показано на рис.1.9.
Рисунок 1.9. Обозначение стабилитрона в электрических схемах.
Основой стабилитрона является p+-n-переход и егоВАХ, (рис 1.10) такая же, как у диода. В отличие от диода,
Рисунок 1.10. Вольтамперная характеристика стабилитрона.
стабилитрон способен работать безвыхода из строяв области обратных напряжений, превышающих напряжение пробоя Uпроб, которое называют напряжением стабилизации Uст. При этом ограничивают мощность, рассеиваемуюстабилитроном, на уровне, не превышающем максимальнодопустимое значение:
Pст = Iст •Uст (3)
Где Iст – максимально допустимый ток стабилизации. Значения Uст и Iст приведены в справочных данных.
При P >Pст стабилитрон может выйти из строя из-затепловых потерь. Возможность работы стабилитрона безвыхода его из строя при P ≤ Pст обусловлена сильнолегированной (низкоомной) базой. Благодаря этому, при U >Uпроб = Uст в стабилитронереализуется не электрический пробой, как в диоде, а лавинный(лавинное умножение носителей электрического тока в объемеполупроводниковой структуры прибора). Из рис. 1.10 видно, что в области обратных токов 0 < I ≤ Iст напряжение на стабилитроне сохраняется неизменным и равным Uст. Эта особенность и определилаосновное назначение стабилитрона – ограничение(стабилизация) напряжения внешней электрической цепи на уровне Uст. При напряжениях U <Uст стабилитрон можно применять в качестве диода.Напряжения стабилизации разных типов стабилитронов находятся в пределах Uст = 3.3÷180 В. Для получения выходныхстабилизированных напряжений больших 180 В, стабилитронысоединяют последовательно, как это показано на рис. 1.11.
Рисунок 1.11 - Схема получения больших значений стабилизированных
напряжений
При этом выходное стабилизированное напряжение
Uвых = Uст1 + Uст2 +…+Uстк (4)
где Uст1 , Uст2 ,… , Uстк – напряжения стабилизации стабилитронов D1, D2,…,Dk. Ограничительный резистор Rогр в схеме на рис. 1.11 задает обратный ток через стабилитроны науровне, не превышающем предельно допустимого значения.Для получения малых значений стабилизированных
напряжений , меньших 3.3 В , применяют стабисторы –полупроводниковые диоды, предназначенные для работы вограничителях напряжения. При этом, в отличие от стабилитронов, стабисторы включают в схему ограничителя не
в обратном направлении, а в прямом, как это показано нарис.1.12 . Выходное стабилизированное напряжение этогоограничителя
Рисунок 1.12 - Схема получения малых значений стабилизированных
напряжений.
Uвых = UD1 + UD2 +…+UDк (5)
где UD1,UD2,…,UDk – падения напряжения на включенных в прямом направлении стабисторах D1,D2,…,Dk. Стабисторы изготавливают из кремния и имеют напряжение стабилизации UD ≈ 0.7 В. Исходя из этого значения UD и заданного значения выходного стабилизированного напряжения определяют необходимое число стабисторов в ограничителе. Так, например, для получения Uвых = 2.1 В, схема на Рисунок 1.12 должна содержать три стабистора. Из прямых ветвей ВАХ на рис 1.7 и 1.10 видно, что в некоторой области токов напряжения на диоде и стабилитроне слабо зависят от тока. Поэтому в схеме ограничителя напряжения на Рисунок 1.12 можно использовать не только стабисторы, но и обычные диоды и стабилитроны. Очевидно, что приведенные выше ограничители напряжения могут содержать и последовательно соединенные стабисторы и стабилитроны, как это показано на рис . 1.13 . Такойограничитель позволяет получить любое значение выходногостабилизированного напряжения.
Рисунок 1.13 - Схема получения произвольных значений стабилизированных
напряжений.
Порядок выполнения работы
Прямые ветви ВАХ полупроводниковых диодов
2.1. Открыть программу и построить виртуальную схему измерительнойустановки (ИУ), показанной на рис. 1.14.
Рисунок 1.14 - Схема измерительной установки для определения прямых
ветвей ВАХ полупроводниковых диодов.
Элементами схемы ИУ являются два выпрямительныхдиода (D1 и D2) и один светодиод (D3). Значения токов черезпоследовательно соединенные диоды с шагом 5%от максимального тока задает источник тока управляемыйнапряжением (ИТУН). Эти токи измеряются амперметром , ападения напряжения на диодах при этих токах – вольтметрами .Каждое новое значение тока получают нажатием комбинации А+Shift.
2.2. Нажав на А клавиатуры "обнулить" ИТУН, т.е. задатьпервое значение тока через диоды I = 0.
2.3. Включить ИУ, для чего перевести переключатель вправом верхнем углу окна из положения "0" в положение "1".При этом амперметр покажет ноль, а вольтметры - близкие кнулю падения напряжения на испытуемых диодах (перваяточка прямых ветвей ВАХ).
2.4. Последовательно нажимая А+Shift, измеряем показания измерительных приборов и вносим их в таблицу 1.2, гдеотметить, при каком минимальном значении тока светодиод.
Таблица 1.2- Экспериментальные данные для определения прямых ветвей
ВАХ полупроводниковых диодов
| I, mA | U, B | ||
| D1 | D2 | D3 | |
2.5. Выключить ИУ и закрыть окно с ее схемой.
3. Обратные ветви ВАХ полупроводниковых диодов
3.1. Собрать схемой ИУ, показаннуюна рис. 1.15 . Здесь значения напряжения на тех же, что и в п. 1,
Рисунок 1.15-Схема измерительной установки для определения обратных
ветвей ВАХ полупроводниковых диодов.
диодах с шагом 8% от максимального напряжениязадает источник напряжения управляемый напряжением(ИНУН). Каждое новое значение напряжения получают посредством А+Shift.
3.2. Нажав на А клавиатуры "обнулить" ИНУН, т.е. задатьпервое значение напряжения на диодах U = 0.
3.3. Включить ИУ. При этом вольтметр покажет ноль, аамперметры – близкие к нулю значения токов черезиспытуемые диоды (первая точка обратных ветвей ВАХ).
3.4. Последовательно нажимая А+Shift, снять показания измерительных приборов и внести их в таблицу 1.3.
3.5. Выключить ИУ и закрыть окно с ее схемой.
Таблица 1.3- Экспериментальные данные для определения обратных
ветвей ВАХ полупроводниковых диодов
| U, B | I, mA | ||
| D1 | D2 | D3 | |
4. ВАХ стабилитронов
4.1. Создать схему ИУ, по рис. 1.16 .
Рисунок 1.16-Схема измерительной установки для определения ВАХ
стабилитронов.
Объектами исследований являются два стабилитрона (напр. 1N4729A и 1N4735A).Значения токов через испытуемые стабилитроны задаются также, как и в п. 1.1, но с тем отличием, что половина из этихтоков имеет положительное направление (прямые ветви ВАХ),а другая половина – отрицательное (обратные ветви ВАХ).Определить ВАХстабилитронов полностью, а не порознь, как в случае диодов.
4.2. Нажав на А клавиатуры "обнулить" ИТУН.
4.3. Включить ИУ.
4.4. Последовательно нажимая А+Shift, снять показания измерительных приборов и внести их в таблицу 1.4.Положительные значения I и U в таблице 1.4 соответствуютпрямой ветви ВАХстабилитронов, отрицательные значения – обратной ветви.
3.5. Выключить ИУ и закрыть окно с ее схемой.
Таблица 1.4- Экспериментальные данные для определения ВАХ
Стабилитронов
| I, mA | U, B | |
| 1N4729A | 1N4735A | |
5. Определение ВАХ диодов и стабилитронов посредством осциллографа.
5.1. Спроектировать схему ИУ, показанной на рис. 1.17. Здесь вспомогательный источник формируетсинусоидальное напряжение амплитудой 125 В , котороепосредством резистора 1 кОм задает ток через испытуемыеприборы (ИП). Объектами исследований являются те
Рисунок 1.17. Схема измерительной установки для определения ВАХ диодов
и стабилитронов осциллографическим методом.
жеИП,что и в п.п. 1-3. На канал А осциллографа через источникнапряжения управляемый током (ИНУТ) подается напряжение,пропорциональное току через ИП, а на канал В посредствомИНУН – падение напряжения на ИП. В результате, на экранеосциллографа отображается ВАХ ИП.
Примечания.
1. При определении ВАХ ИП осциллографическим методом кнопки осциллографа А/В, DC, Auto должны быть "нажаты".
2. В исходном состоянии ключи А – Е должны быть разомкнуты. При этом все ИП отсоединены от ИУ.
5.2. Нажать на А клавиатуры, подсоединив тем самым к ИУпервый из ИП (напр., 1N4148).
5.2.1. Включить ИУ и осциллограф. При этом на экранеосциллографа отобразится ВАХ диода 1N4148. ЗарисоватьВАХ этого диода и посредством осциллографа измерить еепараметры (значения I и U).
Примечание. Напряжение,пропорциональное току через ИП, снимается на канал А с сопротивления 1 Ом. Поэтому токи ВАХ ИП определяются посредством деления напряжений на этом канале на 1 Ом и переводом полученных результатов в единицы тока.
5.2.2. Выключить осциллограф и ИУ и нажать на Аклавиатуры, отсоединив тем самым первый из ИП от ИУ.
5.3. Повторить п. 5.2 для остальных ИП, используясоответствующие ключи (B, C, D, E).
5.4. Выключить ИУ и закрыть окно с ее схемой.
5. Выйти из программы Multisim 2001, выключить компьютер и монитор.
Содержание отчета
1. Схемы измерительных установок.
2. Результаты экспериментов п.п. 1-3 в виде таблиц играфиков ВАХ.
3. Числовые значения параметров выпрямительных диодов(Uпроб и U0), светодиодов (ток, при котором светодиод начинаетизлучать свет, и U0) и стабилитронов (Uст).
4. Графики ВАХ ИП по п.5.
5. Словесная сравнительная оценка ВАХ ИП, полученныхметодом амперметра и вольтметра ( п.п. 1-3 ) и посредствомосциллографа ( п.5 ).
6. Выводы.
Лабораторная работа № 2
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 158; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!