Лабораторная работа по электронике, электротехнике, радиотехнике (Вариант 9)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 1 Исследование полупроводникового диода 1.1 Цель работы Изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нём; исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов. 1.2 Подготовка к лабораторной работе Изучить следующие вопросы курса: Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники Электронно-дырочный переход и его характеристики. Прямое и обратное включение p-n перехода. Вольтамперная характеристика и параметры полупроводникового диода Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики. 1.3 Краткая теория Полупроводниковый диод — это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости р и n. Вольтамперная характеристика идеализированного р-п перехода, представляющая собой зависимость тока I от приложенного к переходу напряжения V име (1.1) В этих формулах — сумма плотностей тока, S – площадь перехода. Предэкспоненциальный множитель в (1.1) называют током насыщения р-п перехода или обратным тепловым током. Как вытекает из (1.2), ток насыщения определяется концентрацией неосновных носителей тока, что обуславливает малое значение тока насыщения и его сильную зависимость от температуры. При прямом смещении , что обеспечивается подачей на полупроводниковый диод прямого напряжения (рис.1.1 а) , как следует из формулы (1.1), ток через р-п переход будет расти по экспоненциальному закону с ростом напряжения. При обратном смещении (рис.1.1 б) ток стремится к току насыщения IS. Величина обратного тока насыщения у германиевых полупроводниковых диодов имеет порядок , а у кремневых — . Таким образом, р-п переход характеризуется односторонней проводимостью. На явлении односторонней проводимости р-п перехода основана работа выпрямительных, универсальных и некоторых СВЧ диодов. На рисунке 1.2 приведены вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода, изготовленного из германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников. Рис.1.2. Вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников. Величина прямого напряжения, при которой начинает протекать значительный прямой ток, называется пороговым . Как видно из рисунка, пороговое напряжение кремниевого р-п перехода больше чем германиевого: и . Концентрация собственных носителей, а вместе с ним и концентрация неосновных носителей тока на основе закона действующих масс, в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Поэтому обратные токи в германиевых р-п переходах также значительно выше чем в кремниевых. Меньшее пороговое напряжение и значительно большие обратные токи в германиевых р-п переходах чем в кремниевых обусловлены меньшей шириной запрещенной зоны германия чем кремния. Если степень легирования р- и п- областей р-п перехода примерно одинакова, то такой р-п переход является симметричным и электроны, и дырки через р-п переход инжектируются в равной степени. На практике находят применение несимметричные переходы, в которых обепечивается инжекция только одних типов носителей тока, например, в основном только дырок, если р- область легировано сильнее , или только электронов в противном случае . В несимметричных переходах высоколегированную (низкоомную) область принято называть эмиттером, а низколегированную (высокоомную) область – базой. Вольтамперная характеристика реального р-п перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики (1.1) не учитывались целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-п перехода от идеализированной. На вид реальной вольтамперной характеристики р-п перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции. Рассмотрим эти явления подробнее. При прямом смещении из-за инжекции основных носителей в области перехода резко возрастают концентрации неравновесных электронов и дырок. Это приводит к росту вероятности их рекомбинации и, тем самым, роста рекомбинационного тока. Рекомбинационный ток накладывается на инжекционный ток и вызывает рост прямого тока. Однако с ростом прямого напряжения вклад рекомбинационного тока в общий ток уменьшается и ток через переход определяется только током инжекции. При выводе вольтамперной характеристики предполагается, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. В реальных несимметричных р-п переходах сопротивление базовой области , может быть сравнимой с сопротивлением р-п перехода. Это приводит к перераспределению приложенного внешнего напряжения между р-п переходом и базовой областью, что приводит к уменьшению прямого тока: вольтамперная характеристика смещается вправо. При больших прямых токах ток может определяться только сопротивлением базовой области. При этом вольтамперная характеристика р-п перехода практически становится линейной (омический участок). Необходимо учесть, что из-за наличия сопротивления базы и падения напряжения на нем ухудшается выпрямляющее свойство р-п перехода и возрастает мощность, рассеиваемая на переходе. Рост прямого тока вызывает рост инжектированных неосновных носителей в базовую область, и их концентрация может стать сравнимой с концентрацией основных носителей, что противоречит условиям при выводе идеализированной вольтамперной характеристики. Это приводит к уменьшению сопротивления базы и, тем самым, уменьшению падения напряжения на нем и некоторому росту прямого тока. Вольтамперная характеристика при этом откланяется влево. Это явление называется эффектом модуляции сопротивления базы. Величина обратного тока в реальных р-п переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) из-за тока термогенерация в запорном слое перехода; 2) из-за поверхностных токов утечки на переходе и 3) из-за явления пробоя перехода при больших напряжениях. При обратном напряжении на р-п переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары, что создает дополнительный обратный ток – ток генерации . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-п перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей. В реальных р-п переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-п перехода и протекания токов утечки . Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина обратного тока составит: . При больших обратных напряжениях возможен пробой р-п перехода, что приводит к резкому росту обратного тока. Пробой р-п перехода играет важную роль в работе ряда полупроводниковых приборов, например, в стабилитронах, поэтому это явление рассмотрим более подробно. В кремниевых р-n переходах обычно наблюдается электрический пробой, который обусловлен лавинным размножением носителей тока или туннельным их прохождением через р-n переход. Явление электрического пробоя используется для создания стабилитронов. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви вольтамперной характеристики которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 1.3.), т.е. с большим значением крутизны . Работа стабилитронов основана на явлении электрического пробоя обратно включенного кремниевого р-n перехода. Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации , определяемое напряжением пробоя p–n перехода при Рис.1.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона общего назначения а) и его условно-графическое обозначение б). некотором заданном токе стабилизации Iст. Если <5В, то пробой перехода носит туннельный характер, если более 7В – то лавинный характер. При = (5…7)В, то имеет место смешанный пробой. Стабилизирующие свойства стабилитронов характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона в области стабилизации которое должно быть, как можно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации: где – изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением температуры . Температурный коэффициент напряжения стабилизации является отрицательным, если пробой перехода вызван туннельным прохождением электронов через переход, или положительным в случае лавинного пробоя перехода. Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: от 3,3 до 180В, токи стабилизации от 0,5мА до 1,4А; ст от 0,01 до 0,001% град-1; rд от долей и единиц Ома (у мощных стабилитронов) до сотен Ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие ст до 0,0005% град-1, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения. Прецизионные стабилитроны представляют собой три р-n перехода, два из которых включены в прямом направлении, а третий работает в режиме лавинного пробоя. Напряжение стабилизации в них определяется суммой трех напряжений где и - пороговые напряжения р-n переходов, включенных в прямом направлении, а - напряжение стабилизации определяемого третьим р-n переходом, работающего в режиме лавинного пробоя. Малое значение ст в прецизионных стабилитронах обусловлен тем, что прямо включенные кремниевые р-n переходы имеют отрицательное значение температурного коэффициента порогового напряжения, а лавинный пробой – положительное значение, что приводит к взаимной компенсации изменения напряжения стабилизации с изменением температуры. Отметим, что у прецизионных стабилитронов ток в прямом направлении практически отсутствует, так как в них первый и второй переходы при этом включены в обратном направлении. Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой два встречно включённых p–n–перехода. Двуханодные стабилитроны имеют симметричную вольтамперную характеристику. Для стабилизации малых напряжений используется прямая ветвь ВАХ-ки диода. Такие приборы называются стабисторами, и они изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Выпускаются стабисторы с одним, двумя и тремя р-n переходами, включенных последовательно и имеющих соответственно равное 0,7В, 1,4В и 2,1В. 1.4 Полупроводниковые диоды, исследуемые в работе В работе исследуются диоды различных типов: германиевые, кремниевые, плоскостные, точечные, стабилитроны, стабисторы. Основные паспортные данные предложенных для исследования диодов (по заданию преподавателя) студенты находят в справочной литературе. 1.5 Схемы исследований На рис.1.4.а. и 1.4.б. приведены схемы для снятия вольтамперной характеристики диода. Необходимость использования двух схем для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики вызвана тем, что, во-первых, напряжение на диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше чем при обратном. Поэтому используются разные источники питания «Еп1» и «Еп2» и последовательность включения измерительных приборов для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики. Пределы измерения приборов следует выбирать с учетом паспортных данных диода. При исследовании прямой ветви вольт– амперной характеристики диода нужно использовать источник питания Еп1, в качестве ограничительного сопротивления использовать резистор в 100 Ом – рис.1.4. На рис. 1.5. приведена схема однополупериодного выпрямителя, построенного на полупроводниковом диоде. Напряжение подается с выхода генератора гармонических колебаний. Форму подводимого напряжения , напряжения на аноде диода и на нагрузке студенты наблюдают с помощью осциллографа. 1.6 Задание к работе в лаборатории Изучить особенности конструктивного выполнения и паспортные данные полупроводниковых диодов различных типов, представленных для исследования. Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диода при прямом включении (рис.1.4.а.). Снять вольтамперные характеристики диодов, предложенных преподавателем, при прямом включении. Не превышать предельно допустимые токи в прямом направлении. Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диодов при обратном включении (рис. 1.4.б.). ВНИМАНИЕ! При снятии обратной вольтамперной характеристики стабилитронов амперметр и вольтметр переключить как на рисунке 1.4.а и во избежание порчи миллиамперметра установить максимальный предел его измерения. Снять вольтамперные характеристики диодов при обратном включении диода. Не превышать предельно допустимые обратные напряжения. Собрать схему однополупериодного выпрямителя на основе выпрямительного диода (рис.1.5.). В качестве диода использовать выпрямительный диод. Подать на вход выпрямителя с выхода генератора гармонических колебаний сигнал амплитудой (2…3) В и частотой 1кГц. Включить осциллограф и зарисовать осциллограммы при постоянной амплитуде входного сигнала: а) подводимого выпрямителю переменного напряжения ; б) напряжения на диоде ; в) напряжения на нагрузке . 8.Измерения пункта 7 повторить на частотах 100кГц и 1МГц. При этом особо обратить внимание на изменения формы сигналов на нагрузке с ростом частоты. 1.7 Указания к выполнению лабораторной работы Лабораторная работа выполняется на компьютере при помощи программы NI Multisim-10. 1.8 Указания к составлению отчета Привести схемы исследования, паспортные данные исследуемых приборов и таблицы результатов измерений. Построить вольтамперные характеристики исследуемых выпрямительных диодов, используя различный масштаб для прямого и обратного включения. Определить по графику пороговые напряжения и рассчитать прямое и обратное сопротивления диодов в заданных рабочих токах. Построить вольтамперную характеристику исследуемого стабилитрона. Отметить участок стабилизации напряжения, напряжения стабилизации и дифференциальное сопротивление на участке стабилизации. Привести в масштабе осциллограммы подводимого напряжения, напряжения на диоде и на нагрузке. Сделать выводы по проделанной работе: сравнить экспериментально определенные параметры с паспортными; провести анализ осциллограмм, снятых на разных частотах. 2 Выполнение лабораторной работы №1- - п/п диод 2.I Снятие прямых ветвей вольт - амперных характеристик диодов 1. На сменной панели соберём в программе моделирования электронных схем Multisim 10 схему для измерения прямых ВАХ (рис.2.1). Рисунок 2.1 – Схема цепи для измерения прямых ВАХ Рисунок 2.2 – Схема цепи для измерения обратных ВАХ Таблица 2.1 – Результаты измерений 2. Установить кремневый диод, выберем выпрямительный диод BAY80 [9] и Приложение А (технические данные), проверив полярность подключения. Постепенно повышая величину напряжения, подаваемого от источника питания генератор тока (ГТ), провести не менее 5 измерений прямого тока Iпр и напряжения Uпр. При этом Uпр не поднимать выше 0,4 В. Данные измерений внести в табл.2.1 и построить график ВАХ – рис.2.3. Рисунок 2.3 – ВАХ кремниевого диода BAY80 (близкий аналог российского кремниевого КД103А) 2.2 Снятие обратных ветвей ВАХ диодов 1. Собрать схему для измерения обратных ВАХ (рис.2,2). 2. Установить кремниевый диод BAY80. Постепенно повышая величину напряжения, подаваемого от источника питания генератора напряжения (ГН), провести не менее 5 измерений обратного тока Iобр и напряжения Uобр. Данные измерений внести в таблицу 1. 3. По данным табл.1 построить на одном графике полную ВАХ кремниевого диода BAY80. 4. При нехватке данных для построения более качественного графика, произвести дополнительные измерения. 2.3 Исследование выпрямителя Модель схемы выпрямителя на исследуемом диоде BAY80 приведена на рис.2.4. Форма входного напряжения и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.5. Форма напряжения на диоде D1 приведена на рис.2.6, 2.9, 2.10. Форма входного напряжения 3В, 100 кГц и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.7. Форма входного напряжения 3В, 1 МГц и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.8. Рисунок 2.4 - Модель схемы выпрямителя на исследуемом диоде BAY80 Рисунок 2.5 - Форма входного напряжения 3В, 1 кГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.6 - Форма напряжения на диоде D1 Рисунок 2.7 - Форма входного напряжения 3В, 100 кГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.8 - Форма входного напряжения 3В, 1 МГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.9 - Форма напряжения на диоде D1 на частоте 100 кГц Рисунок 2.10 - Форма напряжения на диоде D1 на частоте 1 МГц Выводы. С увеличением частоты входного сигнала выпрямителя, появляются искажения в сигналах на нагрузке и на выпрямительном диоде D1. Это можно объяснить тем, что на выходной сигнал начинают, в основном, влиять паразитные емкости диода D1. Пороговое напряжение по рис.2.3 равно Uпор.пр≈0.8В. Дифференциальное сопротивление (прямое), определенное по снятой экспериментально ВАХ (зелёный треугольник, рис.2.3) равно R_д=ΔU/ΔI=(1.0-0.92)/((200-150)*〖10〗^(-3) )≈2 Ом. Что соответствует паспортным данным ≤5 Ом на данный тип диода (см. Приложение А). По табл.1 находим прямое сопротивление диода (по прямой ветви ВАХ) R_пр=ΔU/ΔI=(0.940-0.916)/((150-125)*〖10〗^(-3) )≈1 Ом и обратное сопротивление диода (по обратной ветви ВАХ) R_обр=ΔU/ΔI=(20-10)/((3,5-2)*〖10〗^(-3) )≈6,7 МОм. 3 Выполнение лабораторной работы №1 - стабилитрон Выполним пункты задания лаб. раб. №1 для стабилитрона, включив в схему резистор Rб=R2 рис.3.1. Сравним ВАХ стабилитрона и ВАХ обычного выпрямительного диода. По ВАХ стабилитрона, снятым на постоянном токе, определить напряжение стабилизации Uст и дифференциальное сопротивление rдст (на участке стабилизации). Выберем стабилитрон 1N4465 с напряжением стабилизации 10 В [10] – технические данные приведены в Приложении Б. Рисунок 3.1 – Схема измерения Таблица 3.1 - Результаты измерений характеристика стабилитрона на постоянном токе для обратной ветви –режим стабилизации Рисунок 3.2 – ВАХ стабилитрона в режиме стабилизации (обратная ветвь)Определим дифференциальное сопротивление rд ст (на участке стабилизации) по табл.3.1 r_(Д СТ)=((10049-10000))/((38-23) )=3,27 Ом. Мы видим, что стабилитрон имеет напряжение стабилизации 10 В. Прямая ветвь стабилитрона интереса не представляет, поэтому снимать её мы не будем. Сравним ВАХ стабилитрона рис.3.2 с ВАХ выпрямительного диода рис.2.3. Выводы. Мы видим, что у выпрямительного диода обратный ток плавно возрастает с ростом напряжения вплоть до пробоя диода, у стабилитрона же обратный ток в зоне зенеровского пробоя возрастает, а напряжение практически не растет (у нашего стабилитрона ≈10 В) до уровня прямого пробоя - ≈10,3 В.