Изучение свойств полупроводникового диода; строение вольтамперных характеристик полупроводникового диода; расчёт дифференциального сопротивления и построение его графика

Лабораторная работа №1.

Полупроводниковый диод.

Цель работы: изучить свойства полупроводникового диода, научиться строить вольтамперные характеристики полупроводникового диода, а также рассчитывать дифференциальное сопротивление и строить его график.

Приборы и материалы: для выполнения данной работы по изучению свойств полупроводникового диода нам необходимо: макетная плата, представляющая собой заготовку из фольгированного текстолита с прорезанными в нем контактными площадками, на которой укреплены: исследуемый диод, необходимый набор тумблеров и резисторов и источника напряжения, собранных по схеме приведенной на рисунке 1. Для измерений нам понадобится цифровой вольтметр, с пределами измерений 0-20 (В) и амперметр с пределами измерений 0-0,1 (А)

Ход работы:

Для поведения опытов на макетной плате соберем следующую схему:

 

Рис 1

Задание 1: Снять вольт-амперную характеристику диода.

Для выполнения данного задания использовали: источник напряжения равный 9 (В) (батарея «Крона») , переменный резисторы:

R₂=1 кОм

R₃=220 Ом

 Постоянный резистор сопротивлением:

R₁=65 Ом

в качестве диода использовали – маломощный диод Д9.

 Переведем переключатель S_3, так чтобы диод оказался включенным в прямом направлении. Затем при прямом включении диода проведем 10 измерений силы тока I и напряжений U при изменении сопротивления в цепи. Данные измерений запишем в таблице 1:

Таблица 1.

Данные измерений при прямом включении диода.

№ опыта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uпр.,В	0,05	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5
Iпр.,мА	0,004	0,018	0,061	0,166	0,372	0,806	2,820	5,800	13,50	26,30

Построим  эту  зависимость  тока  от  напряжения в виде графика – это будет одна часть вольтамперной характеристики диода, а именно прямая ветвь (график 1.)

График 1.

 Затем переведем переключатель S₁ в противоположную сторону так чтобы диод оказался включенным в обратном направлении и снова проведем 10 измерений силы тока I и напряжений U при изменении сопротивления в цепи. Данные измерений запишем в таблице 2:

Таблица 2.

Данные измерений при обратном включении диода.

№ опыта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uобр.,В	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
Iобр.,мкА	0,51	1,12	1,71	2,03	2,19	2,27	2,35	2,42	2,48	2,52

Снова  построим  зависимость  тока  от  напряжения  в  виде графика – это будет вторая часть вольтамперной характеристики диода -  обратная ветвь (график 2).

График 2.

Совместим оба графика с учетом масштабирования, тогда получим требуемую вольт амперную характеристику диода Д9 (график 3).

Iобр, мка

Uобр, В

Iпр, ма

Uпр, В

График 3.

Задание 2:  рассчитать  дифференциальное  сопротивление  исследуемого диода.

По результатам прошлого опыта рассчитаем дифференциальное сопротивление по формуле:

 R=DU/DI

Где DU – изменение напряжения от U_n до U_n-1

DI – изменение тока от I_n до I_n-1 при изменении напряжения от U_n до U_n-1

DI – изменение тока от I_n до I_n-1 при изменении напряжения от U_n до U_n-1

Для прямой ветви:

R₁=(0,1-0,05)/(0,018-0,004)=3571 Oм       

R₂=(0,15-0,1)/(0,061-0,018)=1162 Oм

R₃=(0,2-0,15)/(0,166-0,061)= 476,2 Oм

R₄=(0,25-0,2)/(0,372-0,166)=242,7 Oм

R₅=(0,3-0,25)/(0,806-0,372)= 115,2 Oм

R₆=(0,35-0,3)/(2,820-0,806)=24,82 Oм

R₇=(0,4-0,35)/(5,800-2,820)=16,778 Oм

R₈=(0,45-0,4)/(13,50-5,800) =6,493 Oм

R₉=(0,5-0,45)/(26,30-13,50) =3,906 Oм

Для обратной ветви:

R₁=(1-0,5)/(1,12-0,51)=819672 Oм       

R₂=(1,5-1)/(1,71-1,12)=847457 Oм

R₃=(2-1,5)/(2,03-1,71)=1562500 Oм

R₄=(2,5-2)/(2,19-2,03)=3125000 Oм

R₅=(3-2,5)/(2,27-2,19)=6250000 Oм

R₆=(3,5-3)/(2,35-2,27)=6250000 Oм

R₇=(4-3,5)/(2,42-2,35)=7142857 Oм

R₈=(4,5-4)/(2,48-2,35) =8333333 Oм

R₉=(5-4,5)/(2,52-2,48) =8333333 Oм

При построении графика ось ординат сделаем логарифмической, для удобства восприятия информации.

Представим полученные значения в виде таблицы:

Таблица 4.

Расчетные значения дифференциального сопротивления диода.

DUпр, B	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
DIпр., мА	0,014	0,043	0,105	0,206	0,434	2,014	2,980	7,700	12,80
R, Ом	3571	1162	476,2	242,7	115,2	24,82	16,778	6,493	3,906
Ln(1+R)	8.18	7.05	6.16	5.49	4.75	3.25	2.87	2.01	1.59
DUоб, B	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
DIоб., мкА	61	59	32	16	800	800	700	600	600
R, МОм	0,819	0,847	1,562	3,125	6,250	6,250	7,142	8,333	8,333
Ln(1+R)	13,52	13,64	14,26	14,95	15,64	15,64	15,78	15,93	15,93

По этим данным построим график зависимости  дифференциального сопротивления от напряжения. В качестве DU берем среднее арифметическое значение,  то  есть:

График 4

Оценим погрешности:

При выполнении данной лабораторной работы были использованы в качестве вольтметра и амперметра – цифровой мультиметр «М862» с погрешностью измерения не более 5%. То есть все измеренные величины будут отличаться от истинных не более чем на 5%, при условии, что мы не допускали случайный ошибок в ходе эксперимента. При построении графиков, вид аналитической кривой для вольт-амперной характеристики и дифференциального сопротивления нам неизвестен. Тогда нельзя, например, по методу наименьших квадратов применить методику построения кривой выравнивания, в этом случае на основании специальных методов приближения подбирают плавную кривую, хорошо апроксимирующуюся, то есть из ступенек полученных при построении графиков на основании не более 10 опытов строим сглаженную линию, подбор наилучшей из всевозможных плавных кривых осуществляется с помощью критерия значимости. Также при проведении измерений, кроме погрешностей самого прибора следует учитывать такие погрешности, как сопротивление проводов, сопротивление источника питания, и.т.д. То есть последнюю цифру измеряемой величины следует не учитывать.

Определим численные значения величин некоторых погрешностей.

   Для прямой ветви

R, Ом	3571	1162	476,2	242,7	115,2	24,82	16,778	6,493	3,906
U, В	0,025	0,075	0,125	0,175	0,225	0,275	0,325	0,375	0,425
I, мА	0,014	0,043	0,105	0,206	0,434	2,014	2,980	7,700	12,80

ΔU = δ·U, т.к.  КТП = 1,5, то ΔU = 0,015·0,175 = 0,00645 В

ΔI = δ·I , т.к.  КТП = 1,5, то ΔI = 0,015·0,206·10^-3 = 3,09·10^-6 А

      ,   R = 242.7 ± 33,804 Ом

Т.к. ΔR = δ·R => δ = (ΔR/R)·100% =13,92%

Для обратной ветви

R·106, Ом	0,819	0,847	1,562	3,125	6,250	6,250	7,142	8,333	8,333
U, В	0,25	0,75	1,25	1,75	2,25	2,75	3,25	3,75	4,25
I, мкА	61	59	32	16	800	800	700	600	600

ΔU = δ·U = 0,015·22,5 = 0,03375 В,

ΔI= δ·I = 0,015·800·10^-6 = 0,12·10^-6 А

R = 6,250·10⁶ ± 0,3516·10⁶  , δ = (ΔR/R)·100% =5,6256%

 Значит все измерения, следовательно и расчеты будут выполнены с точностью около 14%.

Вывод: на основании проделанной работы я научился измерять параметры диода, строить вольтамперные характеристики, вычислять дифференциальное сопротивление и строить график его зависимости от напряжения.