Исследование характеристик полупроводниковых диодов на постоянном и переменном токах
Общие сведения
Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n-p - структуру (рисунок 5.9). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое - дырки. В результате диффузии электронов из n-области в р-область и, наоборот, дырок из р-области в n-область на границе создаётся потенциальный барьер (рисунок 5.9 а и б).
При прямом приложенном напряжении («+» к слою p, « - » к слою n) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт).
Вольт-амперная характеристика диода имеет вид, изображённый на рисунке 5.9в.
Рисунок 5.9 ВАХ диода
Прямой ток через р-n переход определяется носителями заряда, неосновными для того слоя, куда они проникают. В процессе движения они сталкиваются с основными носителями данного слоя и рекомбинируют. С увеличением прямого тока падение напряжения на диоде несколько возрастает. При рекомбинации может выделятся энергия в виде излучения. Это явление используется в светодиодах.
В обратном направлении через диод протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями. С увеличением обратного напряжения выше предельно допустимого для данного типа диода наступает пробой р-n перехода. В диодах различных типов он протекает по разному: в обычных выпрямительных диодах – это необратимое разрушение р-n перехода в результате его перегрева, в лавинных – происходит лавинное размножение неосновных носителей, что приводит к резкому уменьшению обратного напряжения на нём и уменьшению нагрева, в стабилитронах – при увеличении обратного тока имеется достаточно протяжённый участок вольт-амперной характеристики, на котором напряжение мало зависит от тока (зенеровский пробой).
Основные статические параметры диодов, такие как пороговое напряжение U0, прямое падение напряжение Uпр, дифференциальное сопротивление Rд, обратный ток Iобр, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, можно определить по вольтамперной характеристике, снятой на постоянном или медленно изменяющемся токе.
Переключение диода из закрытого состояния в открытое происходит не мгновенно. Это можно наблюдать на экране осциллографа, если приложить к диоду напряжение прямоугольной формы высокой частоты (рисунок 5.10).
Рисунок 5.10 Переключение диода из закрытого состояния в открытое
При переходе из закрытого в открытое состояние необходимо время tвкл, необходимое для рассасывания избыточных зарядов потенциального барьера и достижения диффузионного равновесия.
При переходе из открытого состояния в закрытое необходимо время t1, за которое рассасываются избыточные носители и время t2, за которое вновь устанавливается потенциальный барьер. Общее время выключения tвыкл = t1 + t2. На этапе t1 через диод протекает большой обратный ток, а напряжение на нём убывает, сохраняя прямое направление. На этапе t2 ток обратный ток убывает до нормального значения. Реальная картина, наблюдаемая на экране осциллографа, может несколько отличаться от описанной из-за влияния входной ёмкости осциллографа и монтажа.
Экспериментальная часть
Задание
Снять вольтамперные характеристики выпрямительного диода (типа КД226, 1N5408), импульсного диода (типа КД521, КД522, 1N4148), диода Шотки (типа 1N5819). По характеристикам определить основные параметры и сравнить их. На экране осциллографа пронаблюдать процессы включения и выключения диода, определить время включения и выключения.
Порядок выполнения эксперимента
· Собрать цепь (рисунок 5.11 а) для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики диодов. Монтажная схема изображена на рисунке 5.12. Вольтметр этой схеме подключён к точке «В» (после амперметра.) и на его показания не влияет падение напряжения на амперметре, которое соизмеримо с прямым падением напряжения на диоде. В то же время ток через вольтметр несоизмеримо мал с прямым током диода и не вносит заметной погрешности в показания амперметра.
Рисунок 5.11 Цепи для снятия прямой а) и обратной б) цепей
| БЛОК ГЕНЕРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ С НАБОРНЫМ ПОЛЕМ
|
Рисунок 5.11 Монтажная схема
Устанавливая токи, указанные в таблице 5.9 снять прямую ветвь вольтамперной характеристики сначала выпрямительного диода, затем – импульсного и, наконец, диода Шотки. На рисунке 5.12 построить графики.
Изменить схему для снятия обратной ветви вольтамперных характеристик переключив вольтметр в точку А (до амперметра) и перевернув диод. В этой схеме через амперметр не протекает ток вольтметра, который теперь соизмерим и даже больше обратного тока через диод. В то же время падение напряжения на амперметре ничтожно мало по сравнению с обратным напряжением на диоде.
Устанавливая напряжения, указанные в таблице 2.2, снять обратную ветвь вольтамперной характеристики диода Шотки. Убедиться, что обратный ток выпрямительного и импульсного диодов настолько мал, что его невозможно измерить приборами, имеющимися в стенде. На рисунке 5.12 построить графики.
Таблица 5.3 (прямая ветвь)
| I, мА
|
|
|
|
|
|
|
|
U, B
| КД226
| 0, 584
| 0, 626
| 0, 658
| 0, 689
| 0, 708
| 0, 719
|
| КД521
| 0, 652
| 0, 7
| 0, 742
| 0, 792
| 0, 823
| 0, 848
|
| 1N5819
| 0, 211
| 0, 236
| 0, 253
| 0, 273
| 0, 284
| 0, 293
|
Таблица 5.4 (обратная ветвь)
| U, B
|
|
|
|
|
|
|
| 27, 9
|
|
I, мА
| КД226
| 0, 2
| 0, 5
| 0, 99
| 1, 5
| 2, 01
| 2, 52
| 2, 8
|
| КД521
| 0, 22
| 0, 51
| 0, 1
| 1, 53
| 2, 01
| 2, 51
| 2, 81
|
| 1N5819
| 1, 2
| 1, 87
| 2, 9
| 3, 96
| 5, 09
| 6, 35
| 7, 26
|
Рисунок 5.12 ВАХ исследуемых диодов
Для исследования характеристик диодов на переменном токе соберите на наборном поле цепь согласно принципиальной схеме рисунке 5.13. Измерительные приборы в схему не включайте, так как они могут создать дополнительные паразитные ёмкости. Не забудьте включить инвертирование сигнала по каналу II, чтобы отклонение луча вверх соответствовало прямому току через диод.
Рис. 5.13 Принципиальная схема для исследования характеристик диода
Для начала нужно включить в цепь выпрямительный диод, подать на вход синусоидальное напряжение частотой 1 кГц, установить ручку регулятора амплитуды примерно в среднее положение (4…6 В) и отрегулировать развертку, синхронизацию и усиление по двум каналам осциллографа так чтобы на экране помещались 1, 5…2 периода кривых тока и напряжения.
Переключая множитель частоты × 1, × 10, × 100, и регулируя каждый раз длительность развёртки осциллографа, пронаблюдать за изменением кривой тока. Объясните результаты (нужно иметь в виду, что в положении множителя × 100 выходное напряжение генератора снижается примерно в 2 раза).
Переключить осциллограф в режим X-Y. При этом на экране появится изображение динамической вольтамперной характеристики диода: прямой ток по оси Y вверх, прямое падение напряжения – по оси Х вправо.
Снова попереключить множитель частоты, наблюдая за изменением динамической вольтамперной характеристики. Объясните, почему при низкой частоте динамическая вольтамперная характеристика совпадает со статической, а при высокой – не совпадает.
Попробуйте повторить эти опыты с импульсным диодом и с диодом Шотки. Объясните отличия.
Снова включите в цепь выпрямительный диод, переключите осциллограф в режим развёртки и установите на входе прямоугольное двухполярное напряжение частотой примерно 40…50 кГц и небольшой амплитуды (2…3 В), чтобы меньше искажалось выходное напряжение генератора.
Настройте изображение, перерисуйте осциллограмму в отчёт (рисунок 5.14…5.21), не забыв указать масштабы по осям (масштаб по оси тока вычисляется как масштаб напряжения, по каналу II, делённый на сопротивление, с которого снимается сигнал.).
Определите по осциллограмме время включения tвкл и время выключения: tвкл.
Рис. 5.14
Рис. 5.15
Рис. 5.16
Рис. 5.17
Рис. 5.18
Рис. 5.19
Рис. 5.20
Рис.5.21
Популярное:
