Лабораторная работа №2 (схемотехника) - ИСТбд-32 - Тагашев И. И.. Исследование полупроводников диодов

• Название: Исследование полупроводников диодов
• Дата: 22.10.2021
• Размер: 497.77 Kb.
• Имя файла: Лабораторная работа №2 (схемотехника) - ИСТбд-32 - Тагашев И. И..docx
• Тип: Лабораторная работа; #253737

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет информационных систем и технологий

Кафедра «Измерительно-вычислительные комплексы»

Лабораторная работа №2

По дисциплине «Схемотехника»

Вариант №10

Тема: «Исследование полупроводников диодов»

Выполнил:

ст. гр. ИСТбд-32
Тагашев И. И.
Проверил:

доцент каф. ИВК, к.т.н.
Ефимов И. П.

Ульяновск, 2021 г.

Лабораторная работа №2

Тема: «Исследование полупроводников диодов»

1. 
   Цели лабораторной работы:
   

1. 
   Знакомство с полупроводниковыми диодами, их параметрами и характеристиками;
   
2. 
   Изучение теоретических основ полупроводниковых диодов;
   
3. 
   Исследование полупроводниковых диодов.
   

2. 
   Теоретические сведения
   

1. 
   P-n-переход
   

Диод – это полупроводниковый прибор, проводящий ток только в одном направлении – от анода к катоду. Согласно представлениям современной физики, односторонняя проводимость диода объясняется следующим образом (рис. 1):





Рис. 1. Подключение диода к источнику постоянного напряжения:

а) прямое смещение;
б) обратное смещение


Основу диода составляет p-n-переход (область соприкосновения полупроводников с дырочной и электронной проводимостями; в области p-типа атомы имеют положительный заряд (нехватка электронов).

Электронные вакансии в атомах называются дырками. Считается, что дырки имеют положительный заряд. В области наблюдается избыток электронов, имеющих отрицательный заряд.

При прямом смещении p-n-переход (рис. 4.1, а) электроны движутся к положительному полюсу, дырки – к отрицательному. Через диод протекает прямой ток (диод открыт).

В случае обратного смещения p-n-перехода (рис. 4.1, б) диод закрывается (область p-n-перехода освобождается от носителей заряда). Через диод протекает очень малый ток .

3. 
   Вольт-амперная характеристика диода
   

На рис. 2 представлена типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.



Рис. 2. BAX полупроводникового диода

Прямая ветвь ВАХ описывается экспоненциальной функцией. ВАХ диода зависит от температуры:



при

Если прямой ток имеет постоянную величину, то при увеличении температуры на один градус, прямое напряжение уменьшается приблизительно на 2 мВ.

Обратный ток слабо увеличивается при росте обратного напряжения. При определенном значении обратного напряжения ( ) наступает пробой диода.

3. 
   С табилитрон
   

Стабилитрон – это специальный диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона имеет участок с большой крутизной (рис. 3)

Рис. 3. ВАХ стабилитрона

При воздействии обратного напряжения стабилитрон закрыт до тех пор, пока не достигнет значения напряжения стабилизации . При стабилитрон открыт, через него протекает обратный ток – ток стабилизации . При этом остается почти постоянной величиной. Однако, хотя и в малой степени, зависит от и температуры.

Дифференциальные сопротивления стабилитрона



показывает, насколько изменяется напряжение стабилизации при заданном изменении тока стабилизации.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации



где – напряжение стабилизации при температуре (начальное значение); – напряжение стабилизации при температуре (конечное значение); показывает степень чувствительности данного параметра к температуре.

Прямая ветвь ВАХ у стабилитрона аналогична соответствующей ВАХ диода.

3. 
   Диодные ограничители напряжения
   

Принцип действия диодных ограничителей напряжения основан на том, что прямое напряжение диода не может превышать некоторого предельного значения (0,3…1,5 B в зависимости от типа диода) и его можно, с некоторой степенью приближения, считать постоянной величиной. В состав ограничителей напряжения могут входить и стабилитроны.

На рис. 4, a показана схема простого диодного ограничителя напряжения и временная характеристика его работы (рис. 4, б).






Рис. 4. Простой диодный ограничитель напряжения:

a) принципиальная схема;

б) временная диаграмма

Пусть для всех диодов . Тогда в положительную полуволну (положительное напряжение относительно земли) диоды , , закрыты, и ток протекает только через открытые диоды , и через .

Так как ток протекает через два последовательно включенных диода, максимальное значение = 2 B.

В отрицательную полуволну (отрицательные напряжения относительно земли) диоды , закрыты, а , , – открыты. Ток протекает через три последовательно включенных диода и = 3 B.

На рис. 5, a представлена схема ограничителя напряжения, состоящего из диодов и стабилитрона. Временная диаграмма работы дана на рис. 5, б.




Рис. 5. Ограничитель напряжения, состоящий из диодов и стабилитрона:

а) принципиальная схема;

б) временная диаграмма

Пусть прямое напряжение для всех элементов равно 1 B, а напряжение стабилизации для равно 5 B. В положительную полуволну диоды и закрыты, стабилитрон при напряжении 5 B открывается и рост прекращается. В отрицательную полуволну для всех диодов , и напряжение является прямым. Так как прямое напряжение ни на каком из элементов не может превысить 1 B, то ограничивается на уровне 1 B.

3. 
   Порядок выполнения работы
   

1. 
   Исследование BAX диода
   

1. 
   Снять ВАХ диода. Схема для исследования приведена на рис.6. Требуется выполнить эксперимент три раза для температур , и (табл. 4.1).
   

Рис. 6. Схема для снятия ВАХ диода

2. 
   Построение схемы;
   

Таблица 4.2

Результаты исследования ВАХ диода при температуре :

Таблица для температуры

Номер опыта	Прямое напряжение	Прямой ток , мА
1	800	21.50
2	810	33.82
3	820	53.20
4	830	83.70
5	840	131.65

Таблица 4.3

Результаты исследования ВАХ диода при температуре :

Таблица для температуры

Номер опыта	Прямое напряжение	Прямой ток , мА
1	750	24.71
2	760	36.75
3	770	54.68
4	780	81.34
5	790	121.01

Таблица 4.4

Результаты исследования ВАХ диода при температуре :

Таблица для температуры

Номер опыта	Прямое напряжение	Прямой ток , мА
1	730	32.07
2	740	46.62
3	750	67.78
4	760	98.54
5	770	143.26

Графики зависимости = 𝐹( ) для трех значений температур:



Вывод: при исследовании ВАХ мной было доказано, что при увеличении температуры прямое напряжение уменьшается.

2. 
   Исследование диодного датчика температуры
   

Провести исследование диодного датчика температуры (рис. 4.7). Для создания постоянного значения тока используется источник тока , )



Рис. 7. Диодный датчик температуры
За счет высокого сопротивления величина остается постоянной.

Параметры элементов источника тока приведены в таблице 4.5.

1. 
   Построение схемы, выбрать диод D74;
   

Рис. 8. Диодный датчик температуры

Зависимость прямого напряжения диода

(рис. 4.7) от температуры:

№	Температура, ℃	Прямое напряжение, мВ
1	-17	726.46
2	-8	710.62
3	1	694.70
4	10	678.70
5	19	662.63
6	28	646.48
7	37	630.27

График зависимости = 𝜑(°𝑡):


Чувствительность датчика температуры:







Вывод: при исследовании диодного датчика температуры мной было доказано, что при увеличении температуры прямое напряжение уменьшается. И при высоком сопротивления 𝑅₁ сила тока не изменяется.

3. 
   Определить напряжение стабилизации стабилитрона
   

Схема для проведения исследований представлена на рис. 8.



Рис. 8. Схема для определения напряжения стабилизации стабилитрона

Взаимосвязь входного и выходного напряжения схемы (Рис. 8)

Таблица 4.7

Входное напряжение ,В	Выходное напряжение ,В	Ток стабилизации , мА
8	8	0
9	9	0
10	10	0
11	11	0
12	11.713	0.404
13	11.762	1.73
14	11.79	3.11
15	11.812	4.49
16	11.831	5.87
17	11.849	7.26
18	11.866	8.64
19	11.882	10.03
20	11.898	11.411
21	11.913	12.798
22	11.929	14.185

График зависимости = ( ):


Напряжение, при котором выходное напряжение перестанет резко менять свое значение будет неравно значению напряжения стабилизации стабилитрона.
График зависимости = ( ):



Оценочное значение напряжения стабилизации исследуемого стабилитрона

Зависимость напряжения в схеме (рис.8) от температуры

Таблица 4.9

Температура,	Напряжение стабилизации , В	Температура,	Напряжение стабилизации , В
-17	11.859	11	11.815
-10	11.848	18	11.804
-3	11.837	25	11.793
4	11.826	37	11.774

График зависимости = (°𝑡):



Вывод: я исследовал схему и определил напряжение стабилизации стабилитрона. В ходе работы было найдено напряжение стабилизации и установлена зависимость от температуры.

4. 
   Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона
   

Дифференциальное сопротивление стабилитрона при различных значениях тока стабилизации:

Таблица 4.10

Ток стабилизации , мА	Дифференциальное сопротивление 𝑅д , Ом
3.11	18
8.64	12
12.798	11

В начале участка стабилизации:



В середине участка стабилизации:



В конце участка стабилизации:



График зависимости = ( ):


Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре +27

Таблица 4.11

, Ом	, В	, мА
710	11.987	19.737
1420	11.881	9.943

Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре -30

Таблица 4.12

, Ом	, В	, мА
710	12.068	19.622
1420	11.966	9.883

Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре +60

Таблица 4.13

, Ом	, В	, мА
710	11.939	19.805
1420	11.831	9.978

при температуре -30 :


при температуре +27 :



при температуре +60 :



Дифференциальное сопротивление стабилитрона при различных температурах.

Таблица 4.14

Температура, ℃	Дифференциальное сопротивление 𝑅д , Ом
-30	10.4
27	10.8
60	10.9

График зависимости = (°𝑡):


Вывод: были вычислены дифференциальные сопротивления стабилитрона при различных температурах, по которым становится ясно, что при увеличении температуры уменьшается , но увеличивается .

5. 
   Определение дифференциального сопротивления составного стабилитрона
   

Исследование составного стабилитрона, состоящего из одного элемента:

Определение дифференциального сопротивления одиночного стабилитрона

Таблица 4.15

		, мА
30	12.093	30.245
60	11.962	17.304

Исследование составного стабилитрона, состоящего из двух элементов:

Определение дифференциального сопротивления двух последовательно включенных стабилитронов

Таблица 4.16

		, мА
27	24.184	30.204
54	23.963	19.203

И сследование составного стабилитрона, состоящего из трех элементов:

Определение дифференциального сопротивления трех последовательно соединенных стабилитронов

Таблица 4.17

		, мА
25	36.259	29.621
50	35.981	20.381

Определение дифференциального сопротивления для рис. 8:



Определение дифференциального сопротивления для рис. 9:



Определение дифференциального сопротивления для рис. 10:


Вывод: были определены значения дифференциального сопротивления нескольких составных стабилитронов, по которым видно, что с уменьшением возрастает но возрастает величина .

6. 
   Исследование диодного ограничителя напряжения
   

Схема диодного ограничителя напряжения:



Результаты исследования схемы (рис. 12) при положительной полярности входного напряжения:

Входное напряжение	Выходное напряжение
1	0.637
5	0.732
10	0.790
15	0.841
20	0.887
25	0.932
30	0.976
35	1.02
40	1.06
45	1.10
50	1.15

График зависимости = ( ):



Результаты исследования схемы (рис. 12) при отрицательной полярности входного напряжения:

Входное напряжение	Выходное напряжение
-1	-0.997
-5	-1.360
-10	-1.404
-15	-1.428
-20	-1.444
-25	-1.456
-30	-1.466
-35	-1.474
-40	-1.482
-45	-1.488
-50	-1.494

График зависимости = ( ):


Временная диаграмму работы ограничителя:

Вывод: было выполнено Исследование диодного ограничителя напряжения при отрицательных и положительных значениях входного напряжения, благодаря чему можно сказать, что с возрастанием положительных значениях и убыванием отрицательных значений возрастает .
Вывод: В данной лабораторной работе я рассмотрел свойства диодов и стабилитронов. Исследовал ВАХ диода и дифференциальное сопротивление стабилитрона. Также посмотрел на работу диодного ограничителя напряжения.

Контрольные вопросы

1. 
   Свойство односторонней проводимости диодов широко используется в промышленной электронике для преобразования переменного тока в постоянный. Если к цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и нагрузки RH, приложено переменное напряжение, то совершенно очевидно, что через нагрузку RH будет проходить ток лишь одного направления.
   
2. 
   Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока.
   
3. 
   Поэтому через диод будет протекать во много раз меньший ток, чем прямой, и этот ток называют обратным током диода. На практике, как правило, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается, что p-n переход обладает лишь односторонней проводимостью.
   
4. 
   Если прямой ток имеет постоянную величину, то при увеличении температуры на один градус, прямое напряжение уменьшается приблизительно на 2 мВ. Обратный ток слабо увеличивается при росте обратного напряжения. При определенном значении обратного напряжения ( ) наступает пробой диода.
   
5. 
   При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде UПР и его обратный ток I0.
   
6. 
   Если прямой ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать довольно точный термометр, но соотношение между напряжением и температурой будет менее линейно.
   
7. 
   По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.
   
8. 
   показывает, насколько изменяется напряжение стабилизации при заданном изменении тока стабилизации.
   
9. 
   указывает относительное изменение напряжения стабилизации при повышении температуры на 1 С. 
   
10. 
    Принцип действия диодных ограничителей напряжения основан на том, что прямое напряжение диода не может превышать некоторого предельного значения (0,3…1,5 B в зависимости от типа диода) и его можно, с некоторой степенью приближения, считать постоянной величиной. В состав ограничителей напряжения могут входить и стабилитроны.