1 Исследование статических характеристик и параметров полупроводниковых диодов

1. Цель работы

Изучить устройство полупроводникового диода, физические процессы, происходящие в нем, характеристики, параметры, а также типы и применение полупроводниковых диодов.

2 Подготовка к работе

1. Изучить следующие вопросы курса:

1. Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники.

2. Электронно-дырочный переход, его характеристики и параметры. Прямое и обратное включение p-nперехода.

3. Вольтамперные характеристики и параметры полупроводниковых диодов.

4. Влияние температуры на характеристики и параметры диодов.

5. Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики. Применение.

2. Ответить на следующие контрольные вопросы:

2.2.1. Что такое собственная и примесная проводимость полупроводника?

2. Объяснить образование электронно-дырочного перехода.

3. Что такое контактная разность потенциалов? Как она образуется?

4. Чем определяется толщина p-nперехода?

5. Нарисовать потенциальную диаграмму p-nперехода при включении его в прямом и обратном направлениях?

6. Привести классификацию и пояснить систему обозначений полупроводниковых диодов.

7. Рассказать об особенностях устройства выпрямительных и высокочастотных диодов.

8. Сравнить теоретическую и реальную вольтамперную характеристики диода.

9. Сравнить вольтамперные характеристики диодов, изготовленных из Ge,SiиGaAs.

10. Нарисовать и объяснить характеристику стабилитрона. Показать на ней рабочий участок.

11. Нарисовать и объяснить вольтамперные характеристики диода для двух различных значений температуры.

12. Нарисовать и объяснить вольтамперные характеристики диода; указать участки, которые соответствуют состоянию электрического и теплового пробоя.

13. Перечислить основные параметры полупроводниковых диодов

( номинальные и предельные).

2.2.14. Дать определение дифференциальных параметров и пояснить их физический смысл.

2.2.15. Что такое барьерная и диффузионная емкости диода? Дать определение.

2.2.16. Объяснить принцип действия и особенности применения полупроводниковых диодов различных типов: выпрямительных, высокочастотных, импульсных, стабилитронов, варикапов.

2.2.17. Нарисовать условные обозначения выпрямительных диодов, стабилитронов, варикапов и схемы их включения.

18. Какими способами можно увеличить допустимую мощность, рассеиваемую диодом?

3 Литература

Игнатов А.Н. и др. Основы электроники: Учебное пособие /СибГУТИ.-Новосибирск, 2005. Стр.24-42.

Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. /Под редакцией Федорова Н.Д. -М: Радио и связь, 1998. Стр. 11-66.

Электронные приборы. /Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989. Стр. 12-43, 54-88, 97-129.

Батушев В.А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. Стр. 29-85.

Справочники по полупроводниковым диодам.

Конспект лекций.

4 Схема исследования

На рисунках 1.1 и 1.2 приведены схемы для снятия вольтамперных характеристик диода. Необходимость использования двух схем для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики вызвана тем, что напряжение на диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном. Поэтому используются разные источники напряжения G₁иG₂для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики. Для ограничения резкого изменения тока последовательно с источниками включен резисторR1.

Рис. 1.1. Схема для исследования вольт-амперных характеристик диодов при прямом включении

Рис. 1.2. Схема для исследования вольт-амперных характеристик диодов при обратном включении

Отличие схем состоит также в том, что в первой схеме вольтметр подключен параллельно диоду, а во второй - источнику. Подключать вольтметр непосредственно к диоду во второй схеме не следует, так как ток, протекающий через вольтметр, соизмерим с обратным током диода и микроамперметр будет показывать сумму токов диода и вольтметра, давая большую погрешность.

Пределы измерения приборов следует выбирать с учетом максимально допустимых параметров исследуемых диодов.

На рисунке 1.3 приведена схема исследования диода на переменном токе. Источником переменного тока является генератор G, в качестве которого используется генератор Г3-111 или подобный. Форму подводимого напряжения, напряжения на диоде и на нагрузке наблюдают с помощью осциллографа.

Рис. 1.3. Схема для исследования однополупериодного выпрямителя

5. Задание к работе в лаборатории.

5.1. Выписать из справочника максимально допустимые параметры диодов I_{ПР МАКС},U_{ОБР МАКС}, исследуемых в лаборатории, и занести их в таблицы 1 и 2, а также параметры стабилитронаU_СТиI_{СТ МАКС} , которые следует занести в таблицу 3.

5.2. Собрать схему для снятия вольтамперных характеристик диодов при прямом включении (рисунок 1.1). Пределы приборов рV1- в зависимости от типа диодов установить 0,51B, аpA1 - чтобы не превышал 0,5I_{ПР МАКС}.

5.3. Последовательно снять вольтамперные характеристики предложенных диодов. Результаты занести в таблицу 1. Пример таблицы приведен ниже.

Таблица 1а. Диод ... (Ge)I_{ПР МАКС}=... мА

UПР, В
IПР, мА

Таблица 1б. Диод ... (Si)I_{ПР МАКС}=... мА

UПР, В
IПР, мА

Таблица 1в. Стабилитрон ... (Si)I_{ПР МАКС}=... мА

UПР, В
IПР, мА

5.4. Собрать схему для снятия вольтамперных характеристик диодов при обратном включении (рисунок 1.2). Предел миллиамперметра pA1 установить 0,1 мА, а вольтметраpV1 - чтобы не превышал 0,5U_{ОБР МАКС}, но не более 50 В.

5.5. Снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов, результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2а. Диод ... U_{ОБР МАКС}= ... В

UОБР, В
IОБР, мкА

Таблица 2б. Диод ... U_{ОБР МАКС}=... В

UОБР, В
IОБР, мкА

5.6. Снять вольтамперную характеристику кремниевого стабилитрона. Для этого предел миллиамперметра pA1 установить 20-50 мА. Результаты занести в таблицу 3. Пример таблицы приведен ниже.

Таблица 3. Стабилитрон ... U_СТ=... В,I_{СТ МАКС}=... мА

UОБР, В
IОБР, мА

5.7. Исследоать германиевый диод на переменном токе. Для этого собрать схему (рисунок 1.3).

5.8. Зарисовать осциллограммы:

а) подводимого переменного напряжения от генератора U(t),

б) напряжения на диоде U_D(t),

в) напряжения на нагрузке U_R(t).

5. Указания к составлению отчета.

0. Привести схемы исследования полупроводниковых диодов.

1. Привести параметры, исследуемых диодов, взятые из справочника.

2. Привести таблицы с результатами измерений.

3. На графике №1 построить вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов, используя различный масштаб по осям напряжения и тока для прямого и обратного включений.

4. Рассчитать прямое сопротивление диодов по постоянному току при токе 10 мА и обратное сопротивление при напряжении 10 В. Сравнить сопротивления диодов при прямом и обратном включениях.

5. На графике №2 построить вольтамперные характеристики кремниевого стабилитрона. Указать участок стабилизации.

6. Привести осциллограммы подводимого напряжения, напряжений на диоде и на нагрузке. Осциллограммы строятся одна под другой с соблюдением масштаба времени.