ЛР-8. Исследование зависимости вах выпрямительных диодов от температуры

• Название: Исследование зависимости вах выпрямительных диодов от температуры
• Дата: 27.03.2023
• Размер: 424.68 Kb.
• Имя файла: ЛР-8.docx
• Тип: Исследование; #1019158

Лабораторная работа №8

Исследование зависимости ВАХ выпрямительных диодов от температуры

1. Цель работы

Изучить структуры активной части, конструкции и параметров диода; приобрести навыки практического определения зависимости ВАХ выпрямительных диодов от температуры.

2. Задание

1 Освоить навыки пользования измерительными приборами, макетом.

2 Изучить электрическую схему макета (рисунок 8.1).


Рисунок 8.1 – Схема электрическая принципиальная макета для исследования ВАХ выпрямительных диодов от температуры

3. 
   Записать паспортные данные исследуемого диода.
   
4. 
   Изменяя значения напряжения ручками R₁ и R₂, снять показания тока при прямом и обратном включениях диода.
   
5. 
   Выставить на термостате определенное значение температуры Т₁.
   

6 Снять показания тока при температуре Т₂.

7 Данные измерений записать в таблицу 8.1.
Таблица 8.1

Номер опыта	Uпр, В	Iпр, А	Uобр, В	Iобр, А	T1, С	T2, С
1…
12

3. Оснащение работы

Набор диодов, лабораторный макет, термостат типа ТС-01, амперметр, вольтметр, соединительные провода.

4. Основные теоретические сведения

В первом приближении диод – полупроводниковый прибор, основу которого составляет выпрямляющий слой, образуемый на границе контактов металл – полупроводник, полупроводник – полупроводник.

Выпрямительный слой, возникающий на границе контакта металл – полупроводник, получил название барьера Шоттки. Выпрямительный слой, полу- чаемый на границе контакта полупроводник – полупроводник, получил название p-n-перехода.

По технологии изготовления структуры диоды подразделяются на точечные, сплавные, сварные, диффузионные мезадиоды, планарные импульсные (рисунок 8.2).



а – точечные; б – сплавные; в – сварные;

г – диффузионные мезадиоды; д – планарные импульсные; 1 – p-n-переход; 2 – кристалл; 3 – омический контакт
Рисунок 8.2 – Технология изготовления структуры диодов
Р-n-переход – это технологический контакт двух полупроводников разного типа проводимости с образованием объемного заряда разных знаков по обе стороны границы контакта (рисунок 8.3).

Р-n-переход характеризуется следующими параметрами:

• 
  контактной разностью потенциалов;
  
• 
  энергетической диаграммой;
  
• 
  объемным зарядом;
  
• 
  потенциальным барьером;
  
• 
  напряженностью электрического поля;
  
• 
  глубиной залегания объемного заряда;
  

• 
  распределением концентрации основных и неосновных носителей заряда;
  
• 
  плотностью объемного заряда;
  
• 
  емкостью.
  

1 – полупроводник проводимости р-типа; 2 ̶ объемный отрицательный заряд в р-полупроводнике; 3 ̶ граница контакта р- и n-полупроводников;

4 – положительный объемный заряд в полупроводнике проводимости n-типа; 5 – полупроводник проводимости n-типа

Рисунок 8.3 – Структура p-n-перехода Р-n-переход обладает следующими свойствами:

• 
  односторонней проводимостью;
  
• 
  обратимым пробоем;
  
• 
  свечением под действием протекаемого тока;
  
• 
  изменением величины потенциального барьера под действием падающего на него потока света и т. д.
  

Характеристики р-n-перехода:

• 
  вольт-амперная (ВАХ);
  
• 
  вольт-фарадная.
  

ВАХ – это график зависимости тока, протекающего через диод (p-n-переход), от величины и знака приложенной разности потенциалов (рисунок 8.4).



Рисунок 8.4 – Графическое изображение ВАХ p-n-перехода

Представим дискретный диод в виде p-n-перехода с выводами помещенным в корпус одной из конструкций (рисунок 8.5).



1 – наружный вывод; 2 – внутренний вывод; 3 – трубка; 4 – изолятор; 5 – корпус; 6 – контактная пружина;

7 – кристалл полупроводника; 8 – припой; 9 – кристаллодержатель
Рисунок 8.5 – Конструкция выпрямительного диода малой мощности
Существуют различные типы корпусов диодов. В паспортных данных на выпрямительные диоды указывают следующие параметры:

• 
  прямое падение напряжения U_пр – напряжение на диоде при протекающем через него установленном выпрямленном токе I_пр;
  
• 
  наибольшее обратное напряжение U_{обр max} – напряжение, которое может быть приложено к диоду в обратном направлении в течение длительного времени без опасности нарушения нормальной работы диода. Это напряжение обычно равно 80 % пробивного напряжения диода;
  
• 
  наибольший обратный ток I_{обр max} – ток через диод в обратном направлении при приложенном к нему U_{обр max};
  
• 
  наибольшая допустимая мощность рассеивания Р_max – допустимое значение рассеиваемой мощности, при которой обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода;
  
• 
  диапазон частот Δf – полоса частот, в пределах которой выпрямленный ток диода не уменьшается ниже заданного уровня.
  

Как известно, биполярный транзистор имеет два p-n-перехода, поэтому в качестве диода можно использовать любой из них или их комбинацию, при этом возможны пять вариантов включения транзистора: БК – Э, Б – Э, БЭ – К, Б – К, Б – ЭК. Здесь первым стоит обозначение одного вывода, вторым – обозначение другого вывода. Если два вывода соединены, их обозначения пишутся слитно.

В случае интегрального диода аналогично можно соединять активные области транзистора (рисунок 8.6).



а б в



г д
а – Б – Э; б – Б – К; в – Э – БК; г – К – ЭБ; д – Б – ЭК
Рисунок 8.6 – Схематическое обозначение соединения выводов транзистора, используемого в качестве диода
Величина тока (плотность тока), протекающего через p-n-переход, в зависимости от приложенной разности потенциалов выражается равенством





I= I₀ ^ _e



_ qUkT





 1^{ ,}



где I₀ –первоначальное значение тока, протекающего через n-p-переход, А;

e= 2,7 – основание натурального логарифма, безразмерная величина;

q– величина заряда электрона, дырки, Кл;

U– разность потенциалов, приложенная к p-n-переходу, В;

k– постоянная Больцмана, Дж/К;

T – температура p-n-перехода, К. Известно, что
,

где i₀ – плотность электрического тока, А/м²;

S– площадь сечения p-n-перехода, м²;

D_p– коэффициент диффузии дырок, м²/с;

p_n0 – концентрация дырок в области электронного полупроводника, м^–3;

L_p– диффузионная длина дырок, м;

D_n– коэффициент диффузии электронов, м²/с;

n_p0 – концентрация электронов в области дырочного полупроводника, м^–3;

L_n– диффузионная длина электронов, м.

Как видно из равенства, величина электрического тока при U = const зависит от температуры нагрева и изменяется за счет термогенерации носителей тока на границе контакта в области объемного заряда (рисунок 8.7).




а б
а – при температуре Т; б – при температурах Т₁ и Т₂
Рисунок 8.7 – Виды ВАХ диода при различных температурах

5. Порядок выполнения работы

1 Получить у преподавателя диод, выписать из справочника его паспортные данные.

2. 
   Подсоединить исследуемый диод к клеммам крышки термостата с внутренней стороны. Подсоединить выход клемм ТС-01 к макету. Заземлить приборы (ТС-01, макет). Включить вилки приборов в сеть. Включить тумблеры СЕТЬ.
   
3. 
   Ручкой термостата задавать нужную температуру нагрева.
   
4. 
   Выбрать на амперметре и вольтметре нужные пределы измерений.
   
5. 
   Подождать, пока камера термостата нагреется до нужной температуры. 6 Выполнить измерения 12 раз при прямом и обратном включении диода,
   

при постоянной температуре и заполнить таблицу 8.1.

7 Оформить отчет по рекомендуемой форме.

6. Форма отчета о работе

Лабораторнаяработа№

Номеручебнойгруппы Фамилия,инициалыобучающегося Датавыполненияработы Темаработы: Цельработы: Задание: Оснащениеработы: Результатывыполненияработы:

7. Контрольные вопросы и задания

1. 
   Что такое p-n-переход?
   
2. 
   Основные характеристики p-n-перехода. 3 Основные свойства p-n-перехода.
   

4 Формула плотности тока при разных значениях U. 5 Зависимость ВАХ от температуры.

6 Область применения p-n-переходов.