Лаб 1 Ахмедьянов Степанчук 1191. Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине оэирм тема Статические характеристики полупроводниковых диодов

Название	Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине оэирм тема Статические характеристики полупроводниковых диодов
Дата	03.03.2023
Размер	0.57 Mb.
Формат файла
Имя файла	Лаб 1 Ахмедьянов Степанчук 1191.docx
Тип	Отчет #967356

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра МИТ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 1 по дисциплине ОЭиРМ

ТЕМА: Статические характеристики полупроводниковых диодов. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики диодов.

Выполнил отчет студента гр. 1191		Ахмедьянов Б.С. Степанчук М.Г.
Преподаватель доцент кафедры МИТ		Мельник В.И.

Санкт-Петербург 2023

Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик диодов; исследование влияния температуры на сопротивление диодов.

Основные теоретические сведения

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 остается 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 нескомпенсированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое

– нескомпенсированный 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. На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p−n-перехода (а) и его вольт-амперная характеристика (б).

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

V

I Ie^⁰_,

0
где V − прямое напряжение на переходе; φ0 ≈ 25 мВ – температурный потенциал при ²⁰^{o C}. Если обратное напряжение, приложенное к p−n-переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода.

Увеличение температуры при поддержании неизменного тока через диод приводит к уменьшению падения напряжения на диоде.

Результаты эксперимента

Построим графики прямых ветвей вольт-амперных характеристик для трех диодов.

Рис.1: Схема для получения прямых ВАХ диодов.

Рис.2: Параметры графиков.

V1 изменяется от 0 В до 15 В с шагом 0.5 В; V(D) – ось X имеет пределы от 0 до 0.8 В; I(D) – ось Y имеет пределы от 0 до 7.5 мА.

Необходимые значения находятся в точках, где I1= 2 мА и I2=5 мА

D

1 – Кремниевый диод синий график; D2 – Германиевый диод красный график; D3 – Диод Шотки (метал-полупроводник) зеленый график.

Рис.3: Графики прямой ветви ВАХ диодов.

Для трех типов диодов запишем значения напряжения при токах 2мА и 5 мА, определим сопротивления p-n переходов в точках измерения.

Сопротивление найдем из закона Ома:

R ^U

R(D1)  ^U⁽^D¹⁾ ^632,⁹¹² 316,456 (Ом);
Для I=2 мА: ^I²

R(D2)  127,075 (Ом); R(D3)  81,6485 (Ом)

R(D1)  ^U⁽^D¹⁾ ^680,074 136,0148 (Ом);

Для I=5 мА:

I 5

R(D2)  55,6142 (Ом); R(D3)  37,895 (Ом)

Рассчитаем диапазон сопротивления

^^Rдля диодов:

R(D1)  R₁(D1)  R₂ (D1)  316,456  136,0148  180,4412 (Ом);
R(D2)  R₁(D2)  R₂ (D2)  127,075  55,6142  71,4608 (Ом);
R(D3)  R₁(D3)  R₂ (D3)  81,6485 37,895  43,7535 (Ом),

где

^R₁⁽^D⁾- сопротивление при I=2 мА,

R₂(D)

- сопротивление при I=5 мА

Тип Диода	Для тока 2 мА			Для тока 5 мА			ΔR Ом
	V(D) мВ	R(D) Ом	V(D) мВ		R(D) Ом
D1	632,912	316,456	680,074		136,0148	180,4412
D2	254,15	127,075	278,071		55,6142	71,4608
D3	163,297	81,6485	189,475		37,895	43,7535

Табл. 1: Значения напряжения при токах 2мА и 5мА и сопротивления p-n переходов в точках измерения для трех диодов.

Определим зависимость ВАХ диодов от температуры

Максимальная температура Тmax = 100 (°С) Минимальная температура Тmin = 30 (°С) Шаг изменения температуры ∆Т= 35 (°С)

Рис.4: Параметры графиков

Построим графики семейства ВАХ для различных значений температуры (используется линейный метод и значения для температуры: Тmax = 100°С, Тmin = 30°С, ∆Т= 35°С);

V1 изменяется от 15 В до 0 В с шагом 0.5 В; V(D) – ось X имеет пределы от 0 до 0.8 В; I(D) – ось Y имеет пределы от 0 до 7.5 мА.

Необходимые значения находятся в точках, где I1= 2 мА и I2=5 мА; при значениях температуры 30°С, 65°С, 100°С., на Рис.5 слева направо.

7

D1 – синий график; D2 – красный график; D3 – зеленый график.

Рис.5: Графики семейства ВАХ для различных значений температуры.

Температура	I=2мА			I=5мА
Температура	V(D1) мВ	V(D2) мВ	V(D3) мВ	V(D1) мВ	V(D2) мВ	V(D3) мВ
30°C	632,912	254,15	163,297	680,074	278,071	189,475
65°C	562,978	208,979	91,98	615,329	235,705	120,059
100°C	497,791	167,403	37,284	554,797	196,596	61,018

Табл.2: Измеренные значения напряжения на диодах от температуры и силы тока.

С помощью полученных графиков при заданном токе (I1=2мА и I2=5мА) рассчитаем изменение напряжения на диоде с изменением температуры: ∆V⁄∆T при I = const.

Для I=2А и изменении температуры от 100°C до 65°C:

Д ля диода D1: = (497,791-562,978)/35= -1,862

Для диода D2: (167,403-208,979)/35 = -1,188
Д ля диода D3: (37,284-91,98)/35 = -1,563

Для I=2мА и изменении температуры от 65°C до 30°C:

длядиодаD1: ^^V⁽^D¹⁾ 2,855 ( мВ/^оС)

T

длядиодаD2 : ^^V⁽^D²⁾ 1,290 ( мВ/^оС)

T

для диодаD3 : ^^V⁽^D³⁾ 2,037 ( мВ/^оС)

T

Для I=5мА и изменении температуры от 100°C до 65°C:

длядиодаD1: ^^V⁽^D¹⁾ 1, 729 ( мВ/^оС)

T

длядиодаD2 : ^^V⁽^D²⁾ 1, 1174 ( мВ/^оС)

T

длядиодаD3 : ^^V⁽^D³⁾ 1, 686 (мВ/^оС)

T

Для I=5мА и изменении температуры от 65°C до 30°C:

длядиодаD1: ^^V⁽^D¹⁾ 1,849 ( мВ/^о С)

T

длядиодаD2 : ^^V⁽^D²⁾ 1, 210 ( мВ/^оС)

T

для диодаD3 : ^^V⁽^D³⁾ 1, 983 ( мВ/^оС)

T

	2мА			5мА
	D1	D2	D3	D1	D2	D3
T(100-65)^оС	-1,862 мВ/^оС	-1,188 мВ/^оС	-1,563 мВ/^оС	-1,729 мВ/^оС	-1,1174 мВ/^оС	-1,686мВ/^оС
T(65-30)^оС	-2,855 мВ/^оС	-1,290 мВ/^оС	-2,037 мВ/^оС	-1,849 мВ/^оС	-1,210 мВ/^оС	-1,983 мВ/^оС

Табл. 3: Изменение напряжения на диодах в зависимости от изменения температуры.

Задание: в схеме определить необходимое напряжение источника V1 для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, токов I1= 2 мА и I2= 5 мА, используя совместные ВАХ диода и резистора.

Воспользуемся полученными в табл.1 «Значения напряжения при токах 2мА и 5мА и сопротивления p-n переходов в точках измерения для трех диодов.» значениями сопротивления и напряжения для диода D1 при токах I1=2 мА и I2=5 мА:

V(D1)= 632,912 мВ при I1=2 мА; V(D1)= 680,074 мВ при I2=5 мА.

Рассчитаем падение напряжения на резисторе:

V(R1)  IR

V(R1)  IR 2*10^³ *2*10³  4 (В) приI 2 мА, R

 2КОм

1 1 1 1

V(R1)  IR 5*10^³ *2*10³  10 (мВ) приI 5 мА, R

 2КОм

2 2 2 2
Определим напряжение, создающее заданный ток в цепи: V(n) = V(D1) + V(R1), n=1,2.

V(1)  632,912*10^³  4  4, 633 (В) приI
 2 мА

1 1

V(2)  680,074 *10^³ 10  10, 680 (В) приI
 5 мА

2 2

Отобразим графически полученные результаты:

Рис.6: Параметры графика

V1 изменяется от 15 В до 0 В с шагом 0.5 В; граница оси X (V(D1)) от 0 В до 15 В; граница оси Y (I(D1)) от 0 до 10 мА.

Рис. 7: Графическое отображение необходимого напряжения для обеспечения в цепи токов I1=2 мА и I2=5 мА (для диода D1, V1(1) = 4.633 В, V1(2) = 10.680 В).

Вывод:

Во время выполнения работы, мы построили графики прямых ветвей вольт-амперных характеристик для трех диодов (Рис.3) по схеме (Рис.1); по этим графикам записали значения напряжения при токах 2мА и 5мА, определили сопротивления p-n переходов в точках измерения и диапазон сопротивлений для трёх диодов занесли полученные результаты в таблицу (Табл.1: «Значения напряжения при токах 2мА и 5мА и сопротивления p-n переходов в точках измерения для трех диодов»). По этому пункту можем сделать вывод, что наименьший потенциальный барьер у диода Шотки на контакте металл-полупроводник, а кремниевый диод имеет самый большой потенциальный барьер p-n перехода, поэтому открывается при большем напряжении (Рис.3 и Таблица1), что связано с работой выхода носителей заряда (электронов и дырок);
Также мы определили зависимость ВАХ диодов от температуры (значения температуры 30°С, 65°С, 100°С), для этого построили графики (Рис.5) и полученные результаты занесли в таблицу 2. Используя полученные значения, рассчитали изменение напряжения на диодах в зависимости от изменения температуры, полученные результаты также занесли в таблицу 3. У всех диодов с ростом температуры потенциальный барьер «размывается», уровень Ферми стремиться к значению уровня собственного полупроводника и диоды открываются при меньших значениях прямого напряжения открывания диодов (Рис.5). Это ведет к росту протекающего тока при более низком напряжении и, как следствие, к более раннему «пробою» диодов.
В последнем пункте мы определили необходимое напряжение источника V1 для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, токов I1=2 мА и I2= 5 мА, используя совместные ВАХ диода и резистора, полученные результаты изобразили графически (Рис.7). Исходя из этого поняли, что наиболее чувствительный к изменению температуры – кремниевый диод (таблица 3 – D1)