14

Лабораторное занятие № 3

Исследование R–D делителей напряжения

1. Цель занятия

1. Получить экспериментальное подтверждение теории электронно-дырочного перехода и свойства односторонней проводимости полупроводникового диода.

2. Приобрести практические навыки в обеспечении рабочих режимов полупроводниковых диодов в цепях переменного тока.

П. Основные теоретические положения

Любой электронный прибор интересен, прежде всего, с точки зрения его управляемой проводимости. Величина проводимости полупроводникового диода на основе р-n перехода определяется в основном потенциальным барьером, возникающем в переходном слое за счет возникновения там нескомпенсированного объемного заряда ионов донорной и акцепторной примесей.

Н

Рис.1.

а рис. 1 показаны структуры р-n перехода в состоянии равновесия (а), при прямом (б) и обратном смещении (в).

Величина потенциального барьера _бо при прямом смещении уменьшается, _б=_бо–U, проводимость структуры резко возрастает и во внешней цепи устанавливается прямой ток, величина которого определяется сопротивлением внешней по отношению к прибору цепи (рис. 1, б). При обратном смещении р-n перехода величина потенциального барьера возрастает (_б=_бо+U) и основные носители заряда n (электроны) и р (дырки) не могут преодолеть этот барьер.

Поле переходного слоя является ускоряющим для неосновных носителей заряда, которых в n и р областях мало (они там возникают в результате термогенерации).

Неосновные носители при обратном смещении переносят небольшой ток I_0бр, определяя низкую проводимость структуры. В целом влияние на проводимость прибора изменения внешнего напряжения хорошо демонстрирует его вольтамперная характеристика (ВАХ).

Формула вольтамперной характеристики идеального р-n перехода имеет вид:

,

где _T – температурный потенциал, равный 0,025 при комнатной температуре.

Г

Рис.2.

рафик этой зависимости изображен на рис.2

Важной особенностью ВАХ является обратная зависимость между прямым напряжением и тепловым током: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение и наоборот. Следствием этой зависимости является и тот факт, что прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода

При обратном смещении величиной, характеризующей диод, является обратный тепловой ток I_0бр.

Р

а) б)

Рис.3.

абочим режимом диода называется его работа в цепи преобразователя (делителя) напряжения, когда рабочая точка делителя определяется сопротивлением внешней по отношению к диоду цепи. Схемы R – D делителя напряжения, на вход которого подается от генератора е_Г переменное напряжение типа «меандр», с амплитудой Е_Гm, изображены на рис.3.

Рабочей точкой делителя называется точка, соответствующая условию равенства токов его плеч: . Чтобы найти положение рабочей точки графически необходимо построить в одной и той же системе координат графики вольт - амперных характеристик (ВАХ) резистора и диода. Точка пересечения этих графиков и будет рабочей точкой делителя. Графики ВАХ диода обычно берутся из справочника или измеряются в лаборатории.

Выражение для ВАХ резистора представляется в виде , так как , а .

Необходимо прежде всего построить линию ВАХ резистора при, а затем - при . Построить линии можно по двум точкам. В первом случае, при , задаемся двумя значениями напряжения на диоде. Например:

1-я точка: , ;2-я точка: В,

В

Рис.4.

о втором случае, при , задаемся двумя значениями тока диода, например: и мкА . Крайние рабочие точки траектории находятся как точки пересечения построенных линий ВАХ резистора при и и ВАХ диода (см. рис.3).

Таким образом, при изменении напряжения на входе делителя рабочая точка движется по ВАХ диода между этими крайними точками. По движению рабочей точки можно определить, как меняется напряжение на диоде во времени, и построить необходимые временные диаграммы (см. рис.4).