1 лаба / Lab_1
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра МИТ
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 1
по дисциплине «ОЭиРМ»
ТЕМА: «СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ»
Студенты
Преподаватель |
|
|
Санкт-Петербург
2023
Цель работы: необходимо провести анализ прямой ветви вольт-амперных характеристик трех диодов, включенных в электрическую цепь, изучить статистические характеристики полупроводниковых диодов и рассмотреть влияние температуры на вольт-амперные характеристики диодов.
Краткие теоретические сведения
Полупроводниковый диод основан на свойствах p−n-перехода. В собственном полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок. При введении в полупроводник донорных примесей электрон атома примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок в нем. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа. При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси в процессе формирования межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p-типа. На границе полупроводников n- и p-типов за счет диффузии часть электронов из n-слоя переходит в p-слой, рекомбинируют с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n-слое остается нескомпенсированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое – нескомпенсированный отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n-область и электронов − в p-область. Если к p−n-переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении , то это напряжение, компенсировав контактную разность потенциалов, создает прямой ток через переход.
Построение прямой ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов выполняется при использовании схемы, представленной на рисунке 1.2 Диоды D1 - кремниевый, модель 1N456, D2 - германиевый, модель 10TQ045_IR и D3- диод Шотки, модель 1N5817, через токоограничивающие резисторы R1=2kОм, R2 =2kОм, R3=2 kОм подключены к источнику напряжения V1- 20В, в прямом направлении.
Рисунок 1.2 - Общая схема цепи
Перейдем в режим анализа ВАХ диодов по постоянному току .
На трёх графиках, приведенных ниже все горизонтальные оси отвечают за значение V(D1), V(D2), V(D3) соответственно сверху вниз, а вертикальные оси - значения токов, протекающих через диоды, которые представлены на «рисунке 1.2».(I(D1), I(D2), I(D3)). Все значения токов приведены в мA, а напряжения в мV. Где м = 10-3
V, мВ
Рисунок 2-ВАХ диодов D1, D2, D3.
Воспользуемся функцией считывания координат точек на графике с помощью режима электронного курсора, точки на графиках были выбраны в произвольном порядке и заданы в процессе выполнения работы преподавателем.
Рисунок 3- Зависимость I(D1) от V(D1) для кремниевого диода
построен график для кремниевого диода. По условию задания: V1=550 mV I1=118uA, V2=650mV I2=1.302mA.
Рисунок 4- Зависимость I(D2) от V(D2) для германиевого диода
Построен график для германиевого диода. По условию задания: V1=175 mV I1=101uA, V2=275mV I2=4.379mA.
Рисунок 5- Зависимость I(D3) от V(D3) для диода Шотки
Построен график для диода Шотки. По условию задания: V1=100 mV I1=33.117uA, V2=200mV I2=289.672uA.
С помощью маркеров измерим ВАХ трех диодов и занесем в таблицу протокола соответствующие значения.
Диод |
Левая точка на графике |
Правая точка на графике |
||
I1, мA |
V1, мB |
I2, мA |
V2, мB |
|
D1 кремниевый |
118 |
550 |
1.302 |
650 |
D2 германиевый |
101 |
175 |
4.379 |
275 |
D3 Шотки |
33.117 |
100 |
289.672 |
200 |
Диапазон изменения сопротивления каждого из диодов D1, D2, D3, где I1 и I2 - значения тока и V1 и V2 - значения напряжения в заданном интервале.
Обработка результатов эксперимента
Расчет изменения сопротивления кремневого диода D1. Для этого из таблицы 1, первой строчки, берем значения соответствующих токов и напряжений и по формулам приведенным ниже рассчитываем наши значения.
r1=V1/I1=209,43
r2= V2 / I2=110,023
Расчет изменения сопротивления германиевого диода. Для этого из таблицы 1, второй строчки, берем значения соответствующих токов и напряжений и по формулам приведенным ниже рассчитываем наши значения.
r1=V1/I1=82,352
r2=V2/I2=2=41,838
Расчет изменения сопротивления диода Шотки. Для этого из таблицы 1, третьей строчки, берем значения соответствующих токов и напряжений и по формулам приведенным ниже рассчитываем наши значения.
r1=V1/I1=53,904
r2=V2/I2=29,3559
Из полученных ВАХ можно сделать следующий вывод, что из трех типов рассмотренных диодов кремниевые имеют максимальную величину контактной разности потенциалов и изменения сопротивления, диоды Шотки –минимальную величину, а германиевые занимают промежуточное значение.
Зависимость ВАХ диодов от температуры
Построим семейство ВАХ каждого диода в зависимости от температуры, используя схему, изображенную на рисунке 1.2, где I - постоянный ток, заданный преподавателем, V- напряжение на диоде с изменением температуры T. И данные снятый с графика занесем в соответствующую таблицу.
Рисунок 6- Графики зависимости токов и напряжений кремниевого диода I(D), V(D) от температуры T
Рисунок 7- Графики зависимости токов и напряжений кремниевого диода I(D), V(D) от температуры T
Рисунок 8- Графики зависимости токов и напряжений кремниевого диода I(D), V(D) от температуры T
По графикам, снимаем значения напряжений при температурах T=200C, 60 0C, 100 0C и при постоянном токе, заданным преподавателем I(D) = 6,5 мA.
Зависимость напряжения кремниевого диода от температуры при I = const
T, 0C |
I, мА (const) |
V(D1), мВ |
∆V∕∆T |
V(D2) , мВ |
∆V∕∆T |
V(D3) , мВ |
∆V∕∆T |
20 |
6,5 |
746,529 |
35,466 |
283,512 |
13,362 |
193.464 |
9,367 |
60 |
631,232 |
11,447 |
235,143 |
3,855 |
122,053 |
2,012 |
|
100 |
546,340 |
6,032 |
182,633 |
1,943 |
24.324 |
0,519 |
Выполним расчет изменения напряжения на диоде с изменением температуры на 10C.
∆V1 ∕∆T1=35,466 мВ
∆V2 ∕∆T2=11,447 мВ
∆V3 ∕∆T3=6,032 мВ
При увеличении температуры и поддержании неизменного тока приводит к уменьшению падения напряжения на диоде, что мы можем наблюдать из расчётов, т.к. при температуре в 20 0C значение падения напряжения примерно равно 35,466 мВ, а уже при более высокой температуре, т.е. 100 0C, значение падения напряжения становится меньше практически в 6 раз.
В схеме на рисунке 1.2 определим необходимое напряжение
источникаV1 для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, тока, заданного преподавателем (5 mA), используя совместные ВАХ диода и резистора. На графике ВАХ диода отмечается точка 1 с заданным током I1 и определяется соответствующее падение напряжения на диоде V1(D) рисунок 1.6. Затем рассчитывается падение напряжения на резисторе V1(R) при заданном токе I1 [V1(R) = I1R1] и откладывается по оси напряжений от точки V1(D). Полученная сумма V1(1) = V1(D) + V1(R) определяет напряжение, создающее заданный ток в цепи.
Рисунок 9- График ВАХ диода, по вертикальной оси откладывается I, по горизонтальной V.
Наклонная прямая с началом в точке V1(1) на оси X, проходящая через точку 1, является графиком ВАХ резистора, направленным встречно графику ВАХ диода. С ростом заданного тока рабочая точка диода перемещается вверх по графику ВАХ. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V2(1).
Рисунок 10- График ВАХ исследуемого диода
V1(R) = I1*R1 = 246 [мВ]
V1(D) = 280 [мВ]
V1(1) = V1(D) + V1(R) = 526 [мВ]
Вывод: входе данной лабораторной работы была построена цепь с тремя диодами: D1 – кремниевый диод, D2 - германиевый, D3 - диод Шотки, определена и проанализирована их вольт-амперная характеристика. Из ВАХ сделан вывод, что из всех типов рассмотренных диодов кремниевые имеют наибольшую контактную разность потенциалов, диоды Шоттки – наименьшую величину, а германиевые имеют средние показатели. Также было рассмотрено влияние температуры на напряжения на диоде. При увеличении температуры, уменьшается сопротивление диода.