МИНОБРНАУКИ 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.

1. ∆V₁ ∕∆T₁=35,466 мВ

2. ∆V₂ ∕∆T₂=11,447 мВ

3. ∆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.