Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе

Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

имени академика М.Ф. Решетнева

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

по курсу «Основы электроники»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДИОДОВ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ

Выполнил

Анисимова А.

Красноярск 2013

1. Цель работы

Целью работы является:

• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;

• исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона;

• исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

полупроводниковый диод стабилитрон сопротивление

Выпрямительный диод

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции выпрямительные полупроводниковые диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь р-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30А). Точечные диоды имеют малую площадь р-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15000 В. Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через р-n-переход от температуры. Сплавные диоды обычно используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшим частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Стабилитрон

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении p-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным.

Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на p-n-переходе составляет, как правило, 0,7В...2 В, поэтому, стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление RБ.

Полупроводниковые выпрямители

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителей заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности напряжения, приложенного к входу выпрямителя. Существуют разновидности полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов и схемой их включения. Ниже рассмотрены некоторые из этих схем.

. Описание лабораторного стенда

В состав лабораторного стенда входят:

• базовый лабораторный стенд;

• лабораторный модуль Lab1А для исследования ВАХ выпрямительного диода КД103А и стабилитрона КС168А.

. Задание 1. Исследование вольтамперной характеристики выпрямительного диода ВАХ при 0В < E < 2В

Определение статического и дифференциального сопротивления полупроводникового диода

СТ = UПР/IПР, rДИФ=ΔU/ΔI

E=1.18В, IД=4.69мА, UД =0.71В

Rст1=0.71*1000/4.69=151.3 Ом

E=1.31В, IД =5.87мА, UД =0.72В

rдиф=0.01*1000/1.18=8 Ом

E=0.65В, IД==0.5мА, UД =0.6В

Rст1=0.6*1000/0.5=1200 Ом

E=0.73В, IД==0.98мА, UД =0.63В

Rст2=0.63*1000/0.98=642.8 Омrдиф=0.03*1000/0.48=62.5 Ом

сопротивление диода в прямом направлении составляет единицы и десятки Ом;

сопротивление диода в обратном направлении составляет единицы мегаом;

обычно Rвых = 50 - 2000 Ом

Напряжение изгиба: E=0.49В, UД =0.49В, IД==0.04мА.

5. Задание 2. Исследование вольтамперной характеристики стабилитрона ВАХ стабилитрона при -10В < E < 2В

Напряжения пробоя

E=-8В, UД =-7.03В, IД=-7.99мА

Определение дифференциального сопротивления стабилитрона

ДИФ =ΔUСТ/ΔIСТ

E=-6.82В UД =-6.82В IД==-0.01мА

E=-8.16В UД =-7.03В IД==-7.98мА

rдиф=0.21/7.97=0.026 Ом

. Задание 3. Исследование работы однополупериодного полупроводникового выпрямителя

Uвыхmax=0.94В

Средневыпрямленное значение напряжения на выходе выпрямителя

СР.ВЫПР.= UВЫХ.МАХ/πСР.ВЫПР =0.94/3.14=0.3

При однополярных напряжениях среднее значение (постоянная составляющая) равно средневыпрямленному. При разнополярных напряжениях эти значения различны. Например, для синусоидального напряжения U₀ = 0, a U_срв = 0,637U_max

Периоды одинаковые, максимальное обратное напряжение на диоде равно 2В