Исследование параметров полупроводникового диода: Методические указания к выполнению лабораторной работы, страница 2

Действительное поле   определится как   Ē = Ē_внеш+ Ē_внутр,  или

Е = Е_внеш +Е_внутр.

Действительное поле Е в области контакта возрастает, что можно трактовать как увеличение l – расстояние между слоями двойного заряженного слоя. Это поле не дает возможности основным носителям заряда:

Рис. 6: P-n – структура при обратном внешнем напряжении

электронам и дыркам переходить через запорный слой, но не основные носители заряда электроны в n-полупроводнике будут свободно пересекать область контакта, принимая участие в электрическом токе:

.

Если сравнить J₊ и J_-, то J₊ >> J_-, то есть p-nпереход существенно нелинеен. Экспериментальная зависимость тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения описывается выражением:

,

где   е – заряд электрона;

        U – приложенное к p-n переходу напряжение;  написать ед измерения

        k – постоянная Больцмана;                                           везде

        T– температура в Кельвинах.

При прямом включении (U>0) ток через p-n переход возрастает по экспоненте, при обратном включении (U<0) J=J₀ – где J₀ – ток насыщения, равный току неосновных носителей заряда и ВАХ p-n перехода имеет вид (рис. 7).

 

                   Рис. 7: Вольт-амперная характеристика p-n перехода

2. конструкция и область применения

Диоды широко применяются в современной радиоэлектронной аппаратуре. По принципу преобразующих и нелинейных свойств  электрического перехода ППД делятся на выпрямительные,  туннельные,  обращенные,  стабилитроны,  варикапы,  тиристоры,  светодиоды, фотодиоды. В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведены условные графические обозначения различных видов диодов в схемах электрических принципиальных. На рис. 8 приведена конструкция силового ППД.

 

Рис. 8: Конструкция полупроводникового диода

Полупроводниковые диоды находят применение в выпрямительных схемах и схемах ограничения напряжения.

Рассмотрим включение ППД в электрическую цепь (рис. 11).

Рис.11: Включение ППД в электрическую цепь

Пусть нам известно сопротивление R и значение E – источника питания. Тогда для рассматриваемой электрической цепи можно записать:

Полученное уравнение есть уравнение, описывающее прямую линию, для которой  достаточно определить координаты 2-х точек и построить ее. Сделаем это:

I_д=0, тогда Е=U_д

U_д=0, тогда I_д=E/R_H

ППД предполагается идеальным. При прямом включении R_д=0, обратном включении – R_д= ∞. Пусть нам известна ВАХ полупроводникового диода. Наложим на нее прямую, получим (рис.12):

Рис.12: ВАХ с нагрузочной линией

Пересечение прямой и ВАХ – точка А, позволяет определить падение напряжения на ППД – U_д0 и ток диода I_д0. Построенная прямая представляет нагрузочную линию. При изменении величины E расчет новой нагрузочной линии дает нам прямую, смещающуюся параллельно исходной линии.

Требования по технике безопасности

К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с электроприборами.

1.  Паяльник должен иметь подставку, которая исключает случайное касание горячих частей руками, а также скатывание его на стол.

2.  При работе с паяльником нельзя стряхивать с жала остатки расплавленного припоя: его брызги могут попасть в глаза или на тело и вызвать травму.

3.  Запрещается оставлять паяльник без присмотра.

4.  После окончания работы паяльник необходимо отключить от сети.

5.  При длительной работе с паяльником воздух в кабинете насыщается вредными для организма парами свинца и олова. Поэтому помещение следует регулярно проветривать.

3.Оборудование

Для выполнения лабораторной работы используется экспериментальный стенд, амперметр, вольтметр, полупроводниковый диод любого типа, источник питания.

Экспериментальный  стенд (рис. 9) выполнен в виде платы, по периметру которой размещены потенциометры RР1, RР2 и тумблеры SA1, SA2, SA3.  RР1 используется для грубой установки напряжения, RР2 - для более плавной. Амперметр и  вольтметр используются соответственно для  измерения тока, протекающего через диод, и напряжения, приложенного к нему. Диод VD1 (маломощный германиевый диод) подключают к источнику питания через токоограничивающий резистор R1.

Рис.9: Макет установки

На рис.10 приведена схема электрическая принципиальная для измерения вольтамперной характеристики диода.

 

Рис.10: Схема измерения вольтамперной характеристики диода

схему уточнить!!!

Данная  схема позволяет исследовать характеристики в прямом и обратном включении диодов.

4. МЕТОДИКА   ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

         4.1 Последовательность выполнения работы

1.  Установить движки обоих потенциометров в крайнее нижнее положение, когда ток и напряжение имеют нулевые значения.

2.  Для прямого включения диода установить переключатель SA1 в нижнее положение.

3.  Установите движок RР2 в середину.

4.  Постепенно перемещая движок потенциометра RР1, измерить ток и напряжение (не менее 10 измерений).

5.  Для обратного включения диода установить переключатель SA1 в верхнее положение. Повторить пункты 3, 4.

6.  Показания приборов занести в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты эксперимента

№ п/п	Прямое включение		Обратное включение
	Uпр, В	IА, A10-3	Uобр, В	IА, А10-6

4. 2.Обработка результатов измерений

1. Вычисление тока через диод. В данной схеме диод и вольтметр включены параллельно, а амперметр с ними последовательно, поэтому ток через диод  находим по формуле:

,

где     I_A – показания амперметра, А;

I_d – ток через диод, А;

I_V – ток через вольтметр, А.

,

где     R_V– сопротивление вольтметра (указано на приборе),В.

.

Занесите данные вычисления в таблицу 2.

Таблица 2. Расчетные параметры

№ п/п	Прямое включение				Обратное включение
	Uпр, В	IА, А10-3	IV, А10-3	Id, А10-3	Uобр, В	IА, А10-6	IV, А10-6	Id, А10-6

2. Построение ВАХ диода. По данным таблицы 2, построить график зависимости силы тока от напряжения  и . Обратить внимание, что прямой ток надо указать в мА, а обратный в мкА.

3. Расчет дифференциального сопротивления диода. Определите по экспериментальной ВАХ диода значения дифференциального сопротивления для всех точек измерений:

,то есть ,

где     DU – приращение падения напряжения на диоде, В;

DI – приращение тока, А.

Занесите данные вычисления в таблицу 3.

Таблица 3. Расчетные значения дифференциального сопротивления диода

№ п/п	Прямое включение		Обратное включение
	Rдиф., Ом	Ud’, В	Rдиф., Ом	Ud’, В

U_d’ – это среднеарифметическое значение напряжения, которое вычисляется по формуле:

.

4. Построение . По данным таблицы 3, постройте график зависимости дифференциального сопротивления диода от приложенного напряжения.

5. Расчет погрешности измерений

Измерение всегда сопровождается погрешностью, обусловленной рядом известных и неизвестных причин.

Определите абсолютную погрешность измерений: