оэирм. лаба 4. Статические характеристики полупроводниковых диодов

• Название: Статические характеристики полупроводниковых диодов
• Анкор: оэирм
• Дата: 11.05.2023
• Размер: 0.88 Mb.
• Имя файла: лаба 4.docx
• Тип: Исследование; #1123130

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. 2288
Преподаватель доцент кафедры МИТ

Санкт-Петербург

2022

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 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. 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

,

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.

Обработка результатов
 Построение и анализ прямой ветви вольтамперных характеристик диодов.



Рисунок 1. Схема, исследуемая в лабораторной работе

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 (p-слой – к «плюсу», n-слой – к «минусу» источника). При напряжении на диоде, компенсирующем контактную разность потенциалов, через p–n-переход проходит прямой ток.
ВАХ диодов строятся в режиме анализа схемы по постоянному току.

Рисунок 2. Параметры графиков




Рисунок 3. Графики ВАХ диодов. D1 – Кремниевый диод (синий график); D2 – Германиевый диод (красный график); D3 – Диод Шотки (зеленый график.)

Для трех типов диодов запишем значения напряжения при токах 1мА и 4 мА, определим сопротивления p-n переходов в точках измерения.

Сопротивление будем искать с помощью закона Ома:

Для I=1мА

R(D1)= Ом

R(D2) = 238,193 Ом

R(D3) = 144,422 Ом
Для I=4мА

R(D1)= Ом

R(D2) = 238,193 Ом

R(D3) = 144,422 Ом
Результаты расчетов сведем в таблицу

Тип диода	U, мВ	I, мА	R, Ом	U, мВ	I, мА	R, Ом
D1	598,2	1	598,2	668,72	4	167,18
D2	238,193	1	238,193	273,101	4	68,27525
D3	144,422	1	144,422	183,436	4	45,859

Таблица 1. Результаты расчетов сопротивления




Рисунок 4. График для кремниевого диода



Рисунок 5. График для германиевого диода



Рисунок 6. График для диода Шотки

Определим зависимость ВАХ диодов от температуры
Максимальная температура Тmax = 130 (°С)

Минимальная температура Тmin = 30 (°С)

Шаг изменения температуры ∆Т = 50 (°С)


Рисунок 7. Параметры графиков


Рисунок 8. Графики семейства ВАХ для различных значений температуры. D1 – синий график; D2 – красный график; D3 – зеленый график.

Температура	I = 1мА			I = 4мА
	U(D1)	U(D2)	U(D3)	U(D1)	U(D2)	U(D3)
130	390,646	109,453	6,92	486,245	155,646	21,571
80	491,747	170,579	47,895	575,653	212,573	86,67
30	591,472	233,274	137,946	663,686	269,501	178,1

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

С помощью полученных графиков при заданном токе (I1=4мА и I2=15мА) рассчитаем изменение напряжения на диоде с изменением температуры: ∆V⁄∆T при I = const.
Для I=1мА и изменении температуры от 30°C до 80°C
Для D1: мВ/°C

Для D2: мВ/°C

Для D3: мВ/°C
Для I=1мА и изменении температуры от 80°C до 130°C
Для D1: мВ/°C

Для D2: мВ/°C

Для D3: мВ/°C
Для I=4мА и изменении температуры от 30°C до 80°C
Для D1: мВ/°C

Для D2: мВ/°C

Для D3: мВ/°C
Для I=4мА и изменении температуры от 80°C до 130°C
Для D1: мВ/°C

Для D2: мВ/°C

Для D3: мВ/°C

Температура	I = 1мА			I = 4мА
	D1	D2	D3		D1	D2	D3
T(30-80) °С	1,9945	1,2539	1,80102		1,76066	1,13856	1,8286
T(80-130) °С	2,02202	1,22252	0,8195		1,78816	1,13854	1,30198

Таблица 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=1 мА и I2= 4 мА, используя совместные ВАХ диода и резистора.
Воспользуемся значениями сопротивления и напряжения из Таблицы 1 для диода D1 при токах I1=1 мА и I2=4 мА:

U(D1)= 598,2 мВ при I1=1 мА;

U(D1)= 668,72 мВ при I2=4 мА.

Рассчитаем падение напряжения на резисторе:

U(R1) =IR

U(R1) = I₁R₁ = 1*10^-3*2*10³= 2 В при I₁=1 мА

U(R1) = I₂R₂ = 4*10^-3*2*10³= 8 В при I₂=4 мА

Определим напряжение, создающее заданный ток в цепи:

U(n) = U(D1) + U(R1), n=1,2.

U₁(1)= 598,2*10^-3+2=2,5982 В при I₁=1 мА

U₂(1)= 668,72 *10^-3+8=8,66872 В при I₂=4 мА
Покажем на графике полученные результаты:


Рисунок 9. Параметры графика


Рисунок 10. Графическое отображение полученного напряжения, создающего заданные токи в цепи

Вывод: в ходе работы были построены графики ВАХ трех диодов. Судя по графикам, наибольшей контактной разностью потенциалов обладает кремниевый диод, следовательно, открывается он позже других диодов в этой работе. Наименьшей контактной разностью потенциалов обладает диод Шоттки. С увеличением температуры (рисунок 8) контактная разность потенциалов всех диодов уменьшается, и они открываются раньше. Это ведет к росту протекающего тока при более низком напряжении и, как следствие, к более раннему «пробою» диодов.