Минобрнауки россии санктпетербургский государственный электротехнический университет лэти
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ»» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра МИТ Отчёт о выполнении лабораторной работы №1 «Статические характеристики полупроводниковых диодов. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики диодов» по дисциплине «ОЭиРМ». Выполнили: студенты группы 1183 ___________________ Дымченко В.А. ___________________ Киркота Д.И. Преподаватель: доцент кафедры МИТ __________________ Рассадина А.А. Санкт-Петербург 2022 Цель работы: исследование вольт-амперных характеристик диодов. Оборудование: программа на ЭВМ. Теоретическая часть Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p−n-перехода. В собственном полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок. При введении в полупроводник донорных примесей электрон атома примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. При этом в кристаллической решетке остаётся неподвижный положительно заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок в нем. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа. При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси в процессе формирования межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p-типа. На границе полупроводников n- и p-типов за счет диффузии часть электронов из n-слоя переходит в p-слой, рекомбинируя с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n-слое остается некомпенсированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое – некомпенсированный отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n-область и электронов − в p-область. Если к p−n-переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность потенциалов, создаст прямой ток через переход. Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный барьер, и проводимость перехода остается весьма малой. Обратный ток перехода I0 для кремниевых p−n-переходов составляет обычно доли или единицы миллиампер, для германиевых − микроампер. Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде: I=I0exp(V/φ0), где V − прямое напряжение на переходе; φ0 ≈ 25 мВ – температурный потенциал при 20ºС. Если обратное напряжение, приложенное к p−n-переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода. На рисунке 1 представлены схематическое изображение структуры p−n-перехода (а) и его вольт-амперная характеристика (б).  а б Рис. 1 — Схема p-n перехода и его вольт-амперная характеристика  Ход работы В работе исследуются ВАХ трёх диодов. Диоды D1 (кремниевый, модель 1N4148), D2 (германиевый, модель 10TQ045_IR) и D3 (диод Шотки, модель 1N5819) через токоограничивающие резисторы R1, R2, R3 подключены к источнику напряжения V1 в прямом направлении. При напряжении на диоде, компенсирующем контактную разность потенциалов, через p–n-переход проходит прямой ток. Схема подключения представлена на рисунке 2:   Рис. 2 — Схема подключения Установим фиксированное значение температуры, зададим параметры (рис. 3) для измерения вольт-амперных характеристик.  Рис. 3 — Вводные данные опыта №1. Получим вольтамперные характеристики (рис. 4) для D1 (а), D2 (б), D3 (в):  Рис. 4 (а) — ВАХ D1.  Рис. 4 (б) — ВАХ D2.  Рис. 4 (в) — ВАХ D3. На каждом из графиков зафиксированы точки со значениями токов 4 и 7 мА (с незначительной погрешностью). Полученные значения напряжений, соответствующих I1 = 4мА и I = 7мА, представлены ниже в таблице 1:
 Таб. 1 — Измеренные значения напряжений диодов Диапазон изменения сопротивления для каждого из диодов может быть рассчитан по формуле:  Соответственно:    Знак «минус» в полученных значениях свидетельствует о том, что при увеличении проходимого через диод тока, его сопротивление уменьшается. На основании полученных результатов мы можем судить о том, что ВАХ первого диода имеет наибольшую крутизну, в то время как ВАХ третьего имеет наименьшую. Соответственно, сопротивление на первом диоде при увеличении силы тока будет уменьшаться быстрее сопротивлений остальных диодов, а для третьего диода — наоборот. Теперь исследуем вольт-амперные характеристики первого диода при разных значениях его температуры. Для этого будем понижать температуру в интервале от 150 до 30 градусов Цельсия с шагом 40 (рис. 5).  Рис. 5 — Вводные данные опыта №2. Получим несколько вольт-амперных характеристик для диода (рис. 6).  Рис. 6 — ВАХ D1 при разных значениях температуры. Значениям с меньшей температурой соответствуют графики справа, значениям с большей — графики слева. На графиках отмечены точки при I = 7 мА. Используем точки для крайнего левого графика и крайнего правого. Значения напряжений в них V1 = 516,9 мВ и V2 = 710,9 мВ соответственно. Значения температуры для этих графиков — T1 = 150oC и T2 = 30 oC соответственно. Измерим изменение напряжения на диоде при изменении его температуры на 1 oC:  Получим:  Полученное значение оказалось отрицательным, что свидетельствует о факте уменьшения напряжения на диоде при повышении его температуры и постоянном значении протекающего через него тока. Исходя из этого, можно сделать вывод, что при повышении температуры диода его сопротивление уменьшается, и напротив, увеличивается, если диод охлаждать. Теперь определим напряжение источника V1 в цепи, необходимое для обеспечения фиксированного значения тока. Ток на первом диоде должен равняться I1 = 4 мА. Источник подключен параллельно к ветви с первым резистором и первым диодом, подключенными последовательно. Из этого следует, что напряжение на источнике численно равняется:  Ток на диоде равен току на резисторе: I1 = 4мА. Сопротивление первого резистора R1 = 1кОм. Напряжение на диоде, соответствующее току I1, было получено ранее: V1(I1) = 685,2 мВ. Подставим значения:  При значении напряжения на источнике 4,69В на диоде будет поддерживаться постоянный ток I1 = 4мА. Использованное для расчётов соотношение можно проследить графически (рис. 7).  Рис. 7 — Сложение ВАХ диода и резистора Н  аклонная прямая с началом в точке V1(1) на оси X, проходящая через точку 1, является графиком ВАХ резистора, направленным встречно графику ВАХ диода. С ростом заданного тока рабочая точка диода перемещается вверх по графику ВАХ. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V2(1). Вывод: в ходе выполнения работы были изучены важные характеристики для диодов: отличия зависимостей сопротивлений от проходящего тока для разных моделей диодов, взаимосвязь сопротивления диода с его температурой. Также была изучена методика нахождения напряжения для получения определённого значения тока на диоде. |