Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине Электроника
 Скачать 449.76 Kb.
|
|
Федеральное агентство железнодорожного транспорта федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ)) Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ Отчет по лабораторной работе № 1 по дисциплине «Электроника» ИНМВ. 600002. 000 Студенты гр.48п ________ М. А. Вергай ________ Д. В. Сатушев _________ В. С. Коваленко Руководитель – доцент кафедры ЭЖТ __________ Е. Ю. Салита Омск 2020 Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и конструктивным исполнением полупроводникового диода; изучить его свойства, статические характеристики и параметры; овладеть методикой их расчета. 1 Краткие теоретические сведения Полупроводниковым диодом называют прибор, представляющий собой двухслойную монокристаллическую структуру с одним p-n-переходом и двумя выводами. Такой диод имеет одностороннюю проводимость, которая обеспечивается особыми свойствами электронно-дырочного перехода, кратко называемого p-n-переходом. Для изготовления диодов применяются простые полупроводниковые вещества (германий и кремний) и сложные полупроводниковые материалы (арсенид, фосфид галлия и др.). При соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности происходит образование p-n-перехода. До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы распределяются равномерно. При соприкосновении полупроводников в их пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров. Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) ∆φк на границе полупроводников, которая препятствует движению основных носителей заряда. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемого дрейфового тока Iдр) происходит снижение ∆φк, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть барьер. Появляется диффузионный ток Iдиф, который направлен навстречу дрейфовому Iдр, т. е. возникает динамическое равновесие, при котором Iдр = Iдиф. Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Евн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Езап (рисунок 1, а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление p-n-перехода велико, а ток, проходящий через него, мал, так как он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а p-n-переход – закрытым.  Рисунок 1 – Схема электронно-дырочного перехода во внешнем электрическом поле При противоположной полярности источника напряжения (рисунок 1, б) внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении 0,2 ‒ 0,6 В запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, и возникает большой ток, называемый прямым, переход при этом является открытым. Сопротивление открытого p-n-перехода определяется собственным сопротивлением полупроводника. Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности напряжения. Основными параметрами выпрямительных диодов являются постоянное прямое напряжение Uпр (UF); постоянное обратное напряжение Uобр (UR); постоянный прямой ток Iпр (IF); постоянный обратный ток Iобр (IR); средний прямой ток Iпр. ср ( IF(AV)); динамическое сопротивление rдин (rT) и др. Максимально допустимыми параметрами являются максимально допустимое обратное напряжение Uобр max ( URmax); максимально допустимый средний прямой ток Iпр. срmax (IF(AV)max); ударный прямой ток Iпр. уд (IFSM); ток перегрузки Iпрг max (IF(OV)); повторяющееся импульсное обратное напряжениеUобр. и. п max (URRM); температура корпуса Тк (Тс); температура окружающей среды Т (Та) и др. (В скобках приведено международное обозначение параметров.) 2 Порядок выполнения работы1) Ознакомиться с конструктивным исполнением, маркировкой диодов, их основными параметрами (таблица 1) 2) Собрать схему в соответствии с рисунком 1 для снятия прямой ветви ВАХ кремниевого и германиевого диодов. Особое внимание обратить на пределы измерения приборов и полярность их подключения. Использовать следующие пределы измерения: для амперметра РА1 – все три предела поочередно (2; 20; 200 мА), вольтметра PV1 – 2 В. Тумблер источника напряжения Е1 должен находиться в положении «1 В». Рекомендуемый диапазон измерения прямого тока – от 0 до 110 мА. Изменяя прямое напряжение, необходимо зафиксировать 10 – 12 значений прямого тока.  Рисунок 2 ‒ Схема для исследования прямой ветви ВАХ диода 3) Изменить полярность включения диодов для снятия обратной ветви ВАХ. Обратить внимание на пределы измерения приборов. Использовать следующие пределы измерения для амперметра РА1 – 2 мА, вольтметра PV1 – 20 В. Тумблер источника напряжения Е1 должен находиться в положении «10 В». Изменяя обратное напряжение, зафиксировать 10 – 12 значений обратного тока. Результаты экспериментов оформить в табличной форме и по ним построить ВАХ. 4) Рассчитать прямое падение напряжения при заданном токе по формуле: Uпр = U0 + rдинIпр, (1) где U0 – пороговое напряжение, характеризующее падение напряжения непосредственно на p-n-переходе;  (2)где  – динамическое сопротивление (переменному току), Ом; – приращение прямого напряжения, В; – приращение прямого тока, мА.5) Сравнить вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов, расчетные параметры с паспортными (таблица 1) и оформить отчет по лабораторной работе.
Таблица 1 – Характеристики диодов 6 3 Экспериментальная часть Таблица 2 – Результаты измерений для кремниевого диода КД 202А
Таблица 3 – Результаты измерений для германиевого диода Д7Ж
4 Расчётная часть 4.1 Прямое падение напряжения для германиевого диода Прямое падение напряжения при заданном токе (0,1 А) определяется по формуле (1). По ВАХ германиевого диода определим пороговое напряжение, характеризующее падение напряжения непосредственно на p-n-переходе (U0) и приращение прямого напряжения (ΔU'пр). U0 = 0,271 В; ΔU'пр = 0,078 В;   Аналогично выполним расчеты для кремниевого диода. 4.2 Прямое падение напряжения для кремниевого диода U0 = 0,644 В; ΔU'пр= 0,071 В;     Рисунок 3 – ВАХ кремниевого и германиевого диодов Вывод: В ходе лабораторной работы изучили принцип действия, свойства, характеристики полупроводниковых диодов. Построили вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Выяснили, что прямая ветвь ВАХ у германиевого диода находится ближе к оси ординат, чем у кремниевого, т.е. германиевый диод обладает меньшим прямым падением напряжения. А у кремниевого диода обратная ветвь ВАХ находится ближе к оси абсцисс, чем у германиевого, т.е. кремниевый диод обладает меньшими обратными токами. В силовой электронике предпочтения отдают полупроводниковым приборам на основе кремния, так как они могут работать при более высоких температурах. Контрольные вопросы 1) Что является в диоде основным и неосновным носителями заряда? В диоде n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными − дырки. В диоде p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны. 2) Как влияют повышение и понижение температуры p-n-перехода на положение ветви ВАХ? С ростом температуры падает прямое напряжение на p-n-переходе при заданном токе, и растет обратный ток при заданном напряжении, а также увеличение температуры приводит к росту концентрации неосновных носителей заряда, а следовательно, и к росту обратного тока.  Анод Катод 3) Объяснить условное обозначение и маркировку диодов малой мощности.  Рисунок 4 – Условное обозначение диода на схеме Треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Перпендикулярная этой стрелке черточка символизирует катод. Маркировка. Первый элемент (буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, А или 3 – арсенид галлия, И или 4 – фосфид индия. Второй элемент – буква, показывающая класс или группу диода. Третий элемент – число, определяющее назначение или электрические свойства диода. Четвертый элемент указывает порядковый номер технологической разработки диода и обозначается от А до Я КД202А расшифровывается: К – материал, кремний, Д – диод выпрямительный, 202 – назначение и номер разработки, А – разновидность. 4) От чего зависит проводимость диода? Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения, температуры, материала, освещения. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||