Исследование полупроводниковых диодов

Исследование полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими«п-р» переходами и с двумя или тремя выводами..

В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.

По функциональномуназначениюдиоды делятсяна : выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ- диоды, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.

По конструктивному исполнению диоды бывают : плоскостные и точечные.

По используемому материалу – кремниевые, германиевые, арсенидгалиевые.

Диоды служат для следующих целей:

· выпрямления переменного тока;

· стабилизации тока и напряжения;

· формирования импульсов сигналов;

· для регулирования мощностей и т.д.

 

1. Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.

Они делятся на следующие виды:

· маломощные (до 0, 3 А);

· средней мощности (до 10 А);

· мощные ( до тысяч ампер и более )

· низкочастотные (до 1 кГц) и высокочастотные (до 100кГц).

 

Диоды средней и большой мощности для отвода тепла имеют радиаторы.

Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов приведена на рис.1:

 

 

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диодов

 

Вольт-амперная характеристика зависит от рабочей температуры (рис. 1). У германиевых диодов обратный ток I_обр. увеличивается в два раза при увеличении температуры на 10⁰ С.

Основные параметры выпрямительных диодов следующие:

· Средний выпрямительный ток I_ср.

· Максимальный прямой ток диода I_мак.

· Обратный ток диода I_обр. при заданной температуре.

· Среднее прямое напряжение U_прпри I_ср.

· Пороговое напряжение на диоде U_noр.

· Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}.

· Дифференциальное сопротивление r _диф. = ∆ U/∆ I

· Частота переменного тока f.

· Средняя рассеиваемая мощность P_g.

б)

 

 

Рис. 2. Выпрямительный диод: условное обозначение (а), его ВАХ (б)

 

При расчете диодных схем выбранные режимы работы должны быть значительно меньше предельно-допустимых.

U_обр£ 0, 7*U _{обр.макс} , I_ср£ (0, 2 ¸ 0, 5) I _макс .

 

Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока широко используются диодные мосты и диодные столбики. Диодные мосты – четыре диода, включенные по схеме моста (рис. 3).

Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов, предназначенных для выпрямления высоковольтного напряжения.

	а)

 

Рис. 3. Диодный мост: условное обозначение (а), электрическая схема моста (б)

 

2. Импульсные диоды нашли применение в импульсных схемах промышленной электроники и автоматики. Такие диоды отличаются малым временем включения и выключения.

 

3. В ысокочастотные диоды используются в высокочастотных схемах. Они имеют обладают минимальными паразитными емкостями и индуктивностями

 

4 Стабилитроны применяются для стабилизации напряжений..

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на «p-n» - переходе при электрическом пробое. Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на (рис. 4)

 

ICT.мин

 

 

Рис. 4. Условное обозначение стабилизатора (а) и его ВАХ (б)

Основными параметрами стабилитрона являются:

· напряжение стабилизации U_ст,

· минимальный ток стабилизации I_ст.мин,

· максимальный ток стабилизации I_ст.мак,

· дифференциальное сопротивление r_диф= ∆ U/∆ I,

· температурный коэффициент напряжения стабилизации,

· мощность рассеивания и др.

Стабилитроны могут быть одноанодные и двуханодные. Последние обеспечивают стабилизацию двуполярных напряжений и представляют собой два встречно включенных одноанодных стабилитронов (рис.5).

 

 

А

I

а) б)

 

 

 

Рис. 5. Условное обозначение двуханодного стабилитрона (а) и его ВАХ (б)

Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со стабилитроном включается диод. Такие стабилитроны относятся к прецизионным.

Стабилитроны делятся на маломощные, средней мощности и мощные. Используются для стабилизации напряжения, а также в импульсных схемах и преобразователях.

5 Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличие от последних, в них используется прямая ветвь ВАХ. Поэтому стабисторы позволяют стабилизировать малые напряжения (0, 35…1, 9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.

На рис. 6 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения. с использованием стабилитронов и стабисторов

 

 

Рис. 6. Схема параметрического стабилизатора напряжения

 

U_вх = U_б + U_н I_вх = I_ст + I_н

 

 

6 Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис. 7 приведена вольтамперная и емкостная характеристики варикапа.

Ia

C

А

а) б) в)

 

 

Рис. 7. Условное обозначение (а), ВАХ (б), емкостная характеристика варикапа (в)

 

Ёмкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.

Основные параметры варикапа:

· общая емкость С_в;

· коэффициент перекрытия по емкости К=С_в.мак/С_в.мин; обычно К=(5-20);

· сопротивление потерь rп;

· добротность Q;

· температурный коэффициент емкости.

Варикапы применяются в резонансных системах, например, для частотной модуляции сигналов.

 

 

7 Динисторы представляют собой четырехслойную структуру и имеют три «p-n» - перехода (рис.8).

 

Iа

III

I

а) б) в)

 

 

 

Uпр

 

 

Рис. 8. Структура динистора (а), его условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

 

ВАХ динистора приведена на рис.8. При повышении анодного напряжения U_a U_вкл.возникает пробой « п-р» перехода. В открытом состоянии (III) динистор будет находиться до момента, пока по нему протекает ток I_a> I_удерж. При этом ток ограничивается сопротивлением нагрузки R_н.Выключение динистора происходит, если I_a< I_удерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов и в преобразователях.

 

8. Тиристоры – это многослойная структура, имеющая три вывода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 9).

 

 

А

Iа

А

Y

А

а) б) в)

		К

Iу1> Iу2> Iу3> Iу4

 

Iпр

Iу5=0

Iудерж

Uа

Uпр

Uвкл

 

Рис. 9. Структура тиристора (а), условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

 

На управляющий электрод поступает управляющий ток I_упр уменьшающий напряжение U_вкл.

Если U_упр. = 0 и I_упр. = 0, то тиристор превращается в динистр. Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в различных формирователях, регуляторах тока, преобразователях.

Тиристоры делятся на не запираемые и запираемые. Последние могут переключаться из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности.

 

9. Симисторы имеют пятислойную структуру, три электрода (А, К, У) и симметричную ВАХ. Открывание симисторов происходит управляющим токовым сигналом.

Симисторы в отличие от тиристоров имеют возможность проводить ток в двух направлениях, поэтому на симисторы можно подавать переменное напряжение.

Симисторы, как и тиристоры, могут применяться в формирователях, коммутаторах, регуляторах тока и напряжения.

 

Рис.10. Условное обозначение (а), ВАХ (б) симистора

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

· ток удержания тиристора I_удерж,

· напряжение в открытом состоянии,

· ток отпирания,

· время включения,

· время отключения,

· прямое напряжение,

· предельно-допустимое обратное напряжение,

· средний ток и др.

 

Маркировка (обозначение) диодов:

· первый элемент – буква (цифра) – материал диода Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – арсений;

· второй элемент – буква, обозначающая назначения диода: Д – диод выпрямитель, Ц – мост, В – варикап, С – стабилитрон (стабистор), Н – динистор, У – тиристор, А – СВЧ;

· третий элемент – три цифры – характеристики диода.

· Четвертый элемент – параметрический параметр

 

2 Целью работы

Целью работы является:

.

2.1. Снятие вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов.

2.2. Изучение полупроводниковых диодов

 

Описание работы стенда

 

Рис. 11. Электрическая схема стенда

 

Стенд (рис.11) содержит измерительную схему, исследуемые полупроводниковые диоды, схему переключения.

Измерительная схема включает в себя источник синусоидального напряжения ~E, токоограничивающий резистор R₀, переключатель “SA1” для подключения исследуемых диодов и измерительный резистор R_ш = 10 ом.

Переключатель “SA2” отключает напряжение на гнезде “X”, для установки луча в центре экрана осциллографа при снятии ВАХ.

Тумблер “SA3”»Усиление» позволяет усиливать входной сигнал на гнезде “X” в 3 раза и таким образом “растянуть” развертку, чтобы увидеть начальный участок ВАХ диода.

Резистор R_т позволяет изменять ток управления тиристора I_упр. Величина тока I_упр измеряется выносным прибором, который подключается к гнёздам Г1, Г2 стенда. Переключатель « SA 4» подключает ток I_упр при исследовании тиристора.

Внимание В работе используется осциллографический метод получения ВАХ. Исследуемый полупроводниковый диод включается в цепь источника переменного напряжения ~E. На вход “У” осциллографа подаётся напряжение с резистора R_ш, которое пропорционально току, протекающему через диод, а на вход “X”подаётся напряжение, пропорциональное напряжению ~E.

С помощью переключателя “SA1” в схему измерителя подключается соответствующий полупроводниковый диод.

В работе исследуются:

· кремниевый диод КД101А,

· германиевый диод ГД107Б,

· стабилитрон КС147А,

· двуханодный стабилитрон КС182А,

· стабистор КС107А,

· динистор КН102А,

· тиристор КУ101А.

 

Порядок выполнения работы

Снять ВАХ тиристора КУ101А

Для этого:

· переключатель “SA1” поставить в положение “КУ101А

· переключатель SA4 поставить в положнние «Вкл.”,

· на Г1, Г2 подключить миллиамперметр,

· установить масштаб по “X” равным 10 вольт/клетку,

· снять ВАХ тиристора при управляющем токе 0, 2; 0.5; 1; 2; 5; мА.,

· построить графическую зависимость U_вкл = f(U_упр). Ток I_упр изменять в пределах 0 … 10 мА.,

· определить прямое напряжение U_пр тиристора при масштабе X = 1, 0 вольт/клетка.

 

Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать:

· теоретическую часть ( не более двух страниц )

· цель работы,

· схему лабораторной установки,

· ВАХ исследуемых диодов и их основные параметры,

· выводы по работе.

 

Вопросы к зачёту по лабораторной работе

1.Объяснить выпрямляющие свойства диодов и их основные параметры.

2. Классификация полупроводниковых диодов.

3. Маркировка диодов.

4. Особенности выпрямительных, импульсных и СВЧ диодов.

5. Назначение динисторов, стабилитронов, тиристоров.

6.Чем отличается динистор от тиристора?

7. Область применения диодов.

8. Что такое стабистор?

9. Назначение варикапа.

10. Что представляет собой диодный мост?

Литература

1. Лаврентьев Б. Ф. Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие.

г. Йошкар – Ола. 2001.

2 Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств. М. изд-во «Академия» 2010 год.

3 Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника»

4. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая элекроника. М.. Радио и связь, 1996.

5 Забродин Ю. С. “Промышленная элекроника”. Учебник для вузов. М. Высшая школа, 1982.

 

Исследование полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими«п-р» переходами и с двумя или тремя выводами..

В зависимости от технологии изготовления различают: точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.

По функциональномуназначениюдиоды делятсяна : выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ- диоды, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.

По конструктивному исполнению диоды бывают : плоскостные и точечные.

По используемому материалу – кремниевые, германиевые, арсенидгалиевые.

Диоды служат для следующих целей:

· выпрямления переменного тока;

· стабилизации тока и напряжения;

· формирования импульсов сигналов;

· для регулирования мощностей и т.д.

 

1. Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.

Они делятся на следующие виды:

· маломощные (до 0, 3 А);

· средней мощности (до 10 А);

· мощные ( до тысяч ампер и более )

· низкочастотные (до 1 кГц) и высокочастотные (до 100кГц).

 

Диоды средней и большой мощности для отвода тепла имеют радиаторы.

Вольт-амперная характеристика выпрямительных диодов приведена на рис.1:

 

 

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диодов

 

Вольт-амперная характеристика зависит от рабочей температуры (рис. 1). У германиевых диодов обратный ток I_обр. увеличивается в два раза при увеличении температуры на 10⁰ С.

Основные параметры выпрямительных диодов следующие:

· Средний выпрямительный ток I_ср.

· Максимальный прямой ток диода I_мак.

· Обратный ток диода I_обр. при заданной температуре.

· Среднее прямое напряжение U_прпри I_ср.

· Пороговое напряжение на диоде U_noр.

· Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}.

· Дифференциальное сопротивление r _диф. = ∆ U/∆ I

· Частота переменного тока f.

· Средняя рассеиваемая мощность P_g.

б)

 

 

Рис. 2. Выпрямительный диод: условное обозначение (а), его ВАХ (б)

 

При расчете диодных схем выбранные режимы работы должны быть значительно меньше предельно-допустимых.

U_обр£ 0, 7*U _{обр.макс} , I_ср£ (0, 2 ¸ 0, 5) I _макс .

 

Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока широко используются диодные мосты и диодные столбики. Диодные мосты – четыре диода, включенные по схеме моста (рис. 3).

Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов, предназначенных для выпрямления высоковольтного напряжения.

	а)

 

Рис. 3. Диодный мост: условное обозначение (а), электрическая схема моста (б)

 

2. Импульсные диоды нашли применение в импульсных схемах промышленной электроники и автоматики. Такие диоды отличаются малым временем включения и выключения.

 

3. В ысокочастотные диоды используются в высокочастотных схемах. Они имеют обладают минимальными паразитными емкостями и индуктивностями

 

4 Стабилитроны применяются для стабилизации напряжений..

В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на «p-n» - переходе при электрическом пробое. Вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на (рис. 4)

 

ICT.мин

 

 

Рис. 4. Условное обозначение стабилизатора (а) и его ВАХ (б)

Основными параметрами стабилитрона являются:

· напряжение стабилизации U_ст,

· минимальный ток стабилизации I_ст.мин,

· максимальный ток стабилизации I_ст.мак,

· дифференциальное сопротивление r_диф= ∆ U/∆ I,

· температурный коэффициент напряжения стабилизации,

· мощность рассеивания и др.

Стабилитроны могут быть одноанодные и двуханодные. Последние обеспечивают стабилизацию двуполярных напряжений и представляют собой два встречно включенных одноанодных стабилитронов (рис.5).

 

 

А

I

а) б)

 

 

 

Рис. 5. Условное обозначение двуханодного стабилитрона (а) и его ВАХ (б)

Для уменьшения температурного коэффициента последовательно со стабилитроном включается диод. Такие стабилитроны относятся к прецизионным.

Стабилитроны делятся на маломощные, средней мощности и мощные. Используются для стабилизации напряжения, а также в импульсных схемах и преобразователях.

5 Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличие от последних, в них используется прямая ветвь ВАХ. Поэтому стабисторы позволяют стабилизировать малые напряжения (0, 35…1, 9 В). По основным параметрам они близки к стабилитронам, но включаются в цепь стабилизации в прямом направлении.

На рис. 6 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения. с использованием стабилитронов и стабисторов

 

 

Рис. 6. Схема параметрического стабилизатора напряжения

 

U_вх = U_б + U_н I_вх = I_ст + I_н

 

 

6 Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис. 7 приведена вольтамперная и емкостная характеристики варикапа.

Ia

C

А

а) б) в)

 

 

Рис. 7. Условное обозначение (а), ВАХ (б), емкостная характеристика варикапа (в)

 

Ёмкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения.

Основные параметры варикапа:

· общая емкость С_в;

· коэффициент перекрытия по емкости К=С_в.мак/С_в.мин; обычно К=(5-20);

· сопротивление потерь rп;

· добротность Q;

· температурный коэффициент емкости.

Варикапы применяются в резонансных системах, например, для частотной модуляции сигналов.

 

 

7 Динисторы представляют собой четырехслойную структуру и имеют три «p-n» - перехода (рис.8).

 

Iа

III

I

а) б) в)

 

 

 

Uпр

 

 

Рис. 8. Структура динистора (а), его условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

 

ВАХ динистора приведена на рис.8. При повышении анодного напряжения U_a U_вкл.возникает пробой « п-р» перехода. В открытом состоянии (III) динистор будет находиться до момента, пока по нему протекает ток I_a> I_удерж. При этом ток ограничивается сопротивлением нагрузки R_н.Выключение динистора происходит, если I_a< I_удерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов и в преобразователях.

 

8. Тиристоры – это многослойная структура, имеющая три вывода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 9).

 

 

А

Iа

А

Y

А

а) б) в)

		К

Iу1> Iу2> Iу3> Iу4

 

Iпр

Iу5=0

Iудерж

Uа

Uпр

Uвкл

 

Рис. 9. Структура тиристора (а), условное обозначение (б) и его ВАХ (в)

 

На управляющий электрод поступает управляющий ток I_упр уменьшающий напряжение U_вкл.

Если U_упр. = 0 и I_упр. = 0, то тиристор превращается в динистр. Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в различных формирователях, регуляторах тока, преобразователях.

Тиристоры делятся на не запираемые и запираемые. Последние могут переключаться из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности.

 

9. Симисторы имеют пятислойную структуру, три электрода (А, К, У) и симметричную ВАХ. Открывание симисторов происходит управляющим токовым сигналом.

Симисторы в отличие от тиристоров имеют возможность проводить ток в двух направлениях, поэтому на симисторы можно подавать переменное напряжение.

Симисторы, как и тиристоры, могут применяться в формирователях, коммутаторах, регуляторах тока и напряжения.

 

Рис.10. Условное обозначение (а), ВАХ (б) симистора

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

· ток удержания тиристора I_удерж,

· напряжение в открытом состоянии,

· ток отпирания,

· время включения,

· время отключения,

· прямое напряжение,

· предельно-допустимое обратное напряжение,

· средний ток и др.

 

Маркировка (обозначение) диодов:

· первый элемент – буква (цифра) – материал диода Г (1) – германий, К (2) – кремний, А (3) – арсений;

· второй элемент – буква, обозначающая назначения диода: Д – диод выпрямитель, Ц – мост, В – варикап, С – стабилитрон (стабистор), Н – динистор, У – тиристор, А – СВЧ;

· третий элемент – три цифры – характеристики диода.

· Четвертый элемент – параметрический параметр

 

2 Целью работы

Целью работы является:

.

2.1. Снятие вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов.

2.2. Изучение полупроводниковых диодов

 

Описание работы стенда

 

Рис. 11. Электрическая схема стенда

 

Стенд (рис.11) содержит измерительную схему, исследуемые полупроводниковые диоды, схему переключения.

Измерительная схема включает в себя источник синусоидального напряжения ~E, токоограничивающий резистор R₀, переключатель “SA1” для подключения исследуемых диодов и измерительный резистор R_ш = 10 ом.

Переключатель “SA2” отключает напряжение на гнезде “X”, для установки луча в центре экрана осциллографа при снятии ВАХ.

Тумблер “SA3”»Усиление» позволяет усиливать входной сигнал на гнезде “X” в 3 раза и таким образом “растянуть” развертку, чтобы увидеть начальный участок ВАХ диода.

Резистор R_т позволяет изменять ток управления тиристора I_упр. Величина тока I_упр измеряется выносным прибором, который подключается к гнёздам Г1, Г2 стенда. Переключатель « SA 4» подключает ток I_упр при исследовании тиристора.

Внимание В работе используется осциллографический метод получения ВАХ. Исследуемый полупроводниковый диод включается в цепь источника переменного напряжения ~E. На вход “У” осциллографа подаётся напряжение с резистора R_ш, которое пропорционально току, протекающему через диод, а на вход “X”подаётся напряжение, пропорциональное напряжению ~E.

С помощью переключателя “SA1” в схему измерителя подключается соответствующий полупроводниковый диод.

В работе исследуются:

· кремниевый диод КД101А,

· германиевый диод ГД107Б,

· стабилитрон КС147А,

· двуханодный стабилитрон КС182А,

· стабистор КС107А,

· динистор КН102А,

· тиристор КУ101А.

 

Порядок выполнения работы

Поделиться:

Популярное:

1. III Криминалистическое исследование материалов, веществ, изделий из них и следов их применения.
2. Quest15Исследование материалов документов
3. V Криминалистическое исследование видео- и фонограмм, средств видео- и звукозаписи и информации, зафиксированной с их помощью.
4. АНАМНЕЗ И ОБЪЕКТИВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
5. Бактериологическое исследование кала на патогенную кишечную флору
6. Биохимическое исследование крови
7. Было проведено исследование, чтобы выяснить зависит ли развитие заболевания от сферы деятельности человека.
8. Внутреннее исследование трупа
9. Выборочное исследование в криминологии
10. Гидробиологическое исследование
11. Глава 1. Исследование деятельности туристского предприятия
12. Глава 1. Ренген-исследование, как метод диагностики заболеваний органов дыхания