СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра АИСУ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

по дисциплине « Электроника»

на тему:

«ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ»

Выполнила:

ст. гр. ИС-10-1д

Могильнер Елизавета

Проверила:

Уварова Л. В.

Старый Оскол, 2012

Лабораторная работа №1

«Полупроводниковые диоды»

Цель работы:

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном сме­щении p-n перехода.

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) по­лупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4. Построение вольтфарадной характеристики варикапа.

Ход работы

Эксперимент 1. Измерение напряжения и тока через диод.

Построить схему по рисунку 1.1 и включить. Мультиметр покажет на­пряжение на диоде Unp при прямом смещении. Если перевернуть диод и запус­тить схему, то мультиметр покажет напряжение на диоде Uoб при обратном смещении.. Вычис­лить ток диода при прямом и обратном смещении по формулам (1.1) и (1.2).

Unp=1,4998В

Uoбp=10В

Iпр = (Е - Unp)/R = (10-1, 4998)/100=85мА

Iоб = (Е - Uoб)/R = (10-10)/100=0А

Эксперимент 2. Измерение тока

Построить схему по рисунку 1.2 и включить. Мультиметр покажет ток диода Inp при прямом смещении. Перевернуть диод и снова запустить схему. Мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении.

Iпр=92,28мА

Iобр=0А

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода

Измерить сопротивление диода при прямом и обратном подключении, используя мультиметр в режиме омметра.

Сопротивление диода при прямом смещении Rnp= 2кОм

Сопротивление диода при обратном смещении Rоб= 91,2Ом

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ. Построить схему по рисунку 1.3 и включить. По­следовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В. Записать значения напряжения Unp и тока Inp диода в табли­цу а) раздела "Результаты экспериментов".

Е, В	Uпр, мВ	Iпр, мА
5	1358	3,642
4	1344	2,656
3	1324	1,676
2	1286	0,7138
1	998	0,002
0,5	499,5	0,0005
0	0	0

б) Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавли­вая значения ЭДС источника равными О В, 5 В, 10 В, 15 В. Записать значения тока 1об и напряжения Uo6 в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов".

Е, В	Uoб, мВ	Iоб, мА
0	0	0
5	4995	0,005
10	999	0,01
15	1498	0,015

в) По полученным данным постройте графики Inp=F(Unp) и Io6=F(Uo6).

Прямая ветвь ВАХ

Обратная ветвь ВАХ

г) Построить касательную к графику прямой ветви ВАХ при Inp = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделать ту же процедуру для Inp = 0.4 мА и Inp =0.2 мА.

Rдиф=tgα=0.839Ом, при Iпр=4мА

Rдиф=tgα=0.8Ом, при Iпр=0,4мА

Rдиф=tgα=0,7Ом, при Iпр=0,2мА

д) Аналогично пункту г) оценить дифференциальное сопротивление дио­да при обратном напряжении 5 В и записать экспериментальные данные в раз­дел "Результаты экспериментов".

R_диф=tgα=0.625Ом, при Uобр=5В

е) Вычислить сопротивление диода на постоянном токе Inp = 4 мА по формуле R= Unp/Inp, занести результат в раздел "Результаты экспериментов".

Iпр=4 мА R=342,5Ом

ж) Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Резуль­таты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной ха­рактеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где харак­теристика претерпевает резкий излом.

Uизг=1,2В

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа.

Построить схему по рисунку 1.4 и включить. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратить внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запи­шите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.

Uизг=1,2В

Эксперимент 6. Построение характеристики варикапа.

Использовать схему емкостного делителя с диодом рисунок 1.6. Изменяя напряжение U_c источника смещения в схеме и измеряя мультиметром напряжение U₀, с помощью формулы (1.3) найти зависимость барьер­ной емкости диода от напряжения U_c. Полученные значения свести в таблицу и построить график C_i = f(U_c). U_i - напряжение генератора, U₀ - напряжение, снимаемое с мультиметра.

Ci = C0(Ui/U0-1) (1.3)

Необходимо учитывать, что мультиметр измеряет эффективное значение напряжения, которое для синусоидального сигнала составляет 0,707 от ампли­тудного, 0,578 - для треугольного, 1 - для меандра.

UcВ	Uo, мВ	Ci, pF
0	0,001	0
2	1683,875	0,625
3	1732,673	1,339
4	1760,113	1,477
6	1793,777	1,634
8	1818,559	1,749
9	1824,045	1,776
10	1831,683	1,807
12	1844,413	1,866
14	1855,163	1,914
15	1859,83	1,931

Контрольные вопросы

1. В чем заключается особенность электропроводности полупроводни­ков? Пояснить с помощью энергетических диаграмм металла, полу­проводника, диэлектрика.

Химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля ведут к же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю. Однако с повыше-нием температуры тепловые колебания атомов полупроводников приводят к увеличе-енергии валентных электронов, которые могут оторваться от атомов и начать свое перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводники в отличие от диэлектриков имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, поэтому электропроводность полу­проводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью. электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси. При примесей происходит появление избыточных валентных электронов, которые легко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Следует отметить, что содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропроводности при этом может быть весьма существенным. Так, например, для германия наличие всего 0,001% примесей приводит к увеличению электропроводности в 10⁴ раз. Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, назы-вают его примесной проводимостью. Примесная проводимость полупроводников мо­жет во много раз превышать их собственную проводимость.

Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:

а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик

2. В чем отличие полупроводников с электронной и дырочной электро­проводностью? Какие токи протекают в полупроводниках?

В полупроводниках могут иметь место два типа электропроводности,

связанные с различными типами носителей: электронная (обусловленная

движением свободных электронов в зоне проводимости) и дырочная

(обусловленная движением дырок в валентной области).

Если полупроводник помещен в электрическое поле, то в нем возникают два

вида токов: дрейфовый (обусловлен перемещением носителей заряда)

и диффузионный.

Перемещение дырок от места их появления в область с пониженной концентрацией название диффузии. Время существования неравновесных носителей называется их временем жизни. За время жизни в результате диффузии дырки будут проходить некоторое расстояние, называемое диффузионной длиной . При этом диффузионная определяется как расстояние, на котором концентрация неравновесных носителей уменьшается в е раз.

Диффузионный ток также возникает в месте контакта двух полупроводников с различным типом проводимости, например, в электронно-дырочных переходах, кото­рые используются во многих полупроводниковых приборах. В таких переходах возникает неравномерное распределение концентрации носителей зарядов, что приводит к диффузии электронов из n-области в р-область и дырок из р-области в n-область.

3. Какова структура p-n перехода? Пояснить электрические процессы, происходящие в отсутствии внешнего напряжения.

Электронно-дырочным пере­ходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая — дырочную электропроводность, технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диф­фузионные диоды), эпитаксия — ориентированный рост одного кристалла на поверхности эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом — не пропускает.