Исследование полупроводниковых диодов

ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания для лабораторных работ

Иркутск

Электроника. Методические указания для лабораторных работ. Составители: Е.М.Фискин, М.М.Фискина. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012.-25 с.

Содержатся материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ по курсу «Электроника».

Предназначены для студентов специальности «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии».

Главной целью лабораторных работ по дисциплине является получение практических навыков в работе с измерительными приборами и ознакомление с методиками исследования электронных приборов.

В каждой лабораторной работе студенту необходимо выполнить исследование по предложенной преподавателем теме.

Рекомендуемый перечень лабораторных работ.

1. Ознакомление с лабораторным стендом

2. Полупроводниковые диоды

3. Биполярные транзисторы

4. Полевые транзисторы

5. Тиристоры

6. Электронно-лучевые трубки

Для каждой лабораторной работы оформляется отчет.

Отчеты-проекты по лабораторным работам оформляются в соответствии с требованиями методических указаний по выполнению каждой лабораторной работы и требованиями стандарта СТО ИрГТУ.027-2009.

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы: исследование основных свойств p-n-перехода, вольт-амперных характеристик и параметров германиевых и кремниевых диодов и стабилитрона.

Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, германиевый диод Д9, кремниевый диод КД103, стабилитрон Д814, провода соединительные.

Основные теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяются p-n-переход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником.

Большинство полупроводниковых диодов представляют собой структуру, состоящую из областей p- и n-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом, область с высокой концентрацией примеси (порядка 10¹⁸см^-3) называют эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси (порядка 10¹⁴ – 10¹⁶ см^-3) - базой.

Полупроводниковый диод как элемент элект­рической цепи является нелинейным двухполюсником, т. е. электронным прибором с двумя внешними выводами и не­линейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он выполняет функцию преобразования сигналов (выпрямле­ние, детектирование, умножение частоты, преобразование световой энергии в электрическую и др.).

На рис. 1 приведена типовая ВАХ диода. Вольт-амперная характеристика идеального p-n-перехода и диода выражается уравнением:

, где I₀ – обратный ток, U- внешняя разность потенциалов -температурный потенциал.

Параметры диода, определяемые по ВАХ (рис.2):

1. прямое сопротивление диода по постоянному току

2. обратное сопротивление диода по постоянному току

3. дифференциальное прямое сопротивление диода

4. дифференциальное обратное сопротивление диода ;

5. дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации .

В основу классификации диодов поло­жены различные признаки — вид электрического перехода (точечный и плоскостной диоды), физические процессы в переходе (туннельный диод, лавинно-пролетный и др.), характер преобразования энергии сигнала (светодиод, фо­тодиод и др.), метод изготовления электрического перехода (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные диоды и др.) и т. п. В справочниках по полупроводниковым приборам обычно проводится классификация диодов по применению в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) или по назначению. При этом отражается принцип использования преобразующих и нелинейных свойств электрического пе­рехода (выпрямительные и импульсные диоды, преобразо­вательные, переключательные, варикапы, стабилитроны и т.д.), диапазон рабочих частот (низкочастотные, высоко­частотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона и др.), исходный материал для изготовления диодной структуры (кремниевые, селеновые, германиевые, арсенид-галлиевые диоды и др.).

По типу конструкции различают точечные и плоскостные полупроводниковые диоды. Точечный диод – это прибор, в котором размеры электрического перехода меньше размеров областей, окружающих его и определяющих физические процессы в переходе. Такой переход воз­никает, например, при вплавлении кончика металлической иглы в полупроводниковую пластину с одновременной присадкой легирую­щего вещества.

Плоскостной диод представляет собой прибор, в котором р-n переход возникает на значительной по площади (до 1000 мкм² в силовых выпрямительных диодах) границе междуполупроводниками р- и n- типов. В таких диодах переход получается методом сплавления полупроводниковых пластин p- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов.

К особой разновидности плоскостных диодов относятся полу­проводниковые стабилитроны, которые применяются для стабилиза­ции напряжения в электрических цепях. В этих диодах использует­ся явление неразрушающего электрического пробоя р–n-перехо­да при определенных значениях обратного напряжения (рис.3). Значение напряжения неразрушающего пробоя определяется конструкцией p-n-перехода и электрофизическими свойствами полу­проводника.

Требования безопасности труда

Не включать лабораторный стенд без проверки преподавателем схемы соединений. При переключении измерительных приборов в ходе работы выключить тумблер СЕТЬ.

Порядок выполнения работы

1. Снять вольт-амперную характеристику полупроводниковых диодов. Для снятия прямых ВАХ используется схема на рис. 4, для снятия обратной ВАХ - схема на рис. 5.

а) получить прямую ВАХ. Для этого:

· подключить АВМ1 к РА1;

· подключить АВМ2 к РU1;

· подключить G1 к ГТ на блоке питания, соблюдая полярность;

· включить тумблер СЕТЬ.

· снять зависимость напряжения от тока на диоде от 0 до 1 мА, изменяя его регулятором ГТ через 0,2 мА, и от 1 до 5 мА через 1 мА. Результаты измерений занести в таблицу, разработанную самостоятельно.

б) Получить обратную ВАХ диодов и стабилитрона. Для этого:

· в качестве G2 использовать ГН2;

· РА2 подключить к АВО на пределе измерений 10 мкА;

· при исследовании стабилитрона в качестве измерителя тока использовать АВМ1 на пределе 50 мА;

· напряжение на диоде менять ГН2 от 0 до 10 В через 2 В.

Примечание: для снятия обратной ВАХ стабилитрона изменять напряжение регулятором до возникновения тока пробоя, после чего изменять ток пробоя через 5 мА до 35 мА. Данные занести в таблицу, разработанную самостоятельно.

2. Выключить тумблер «СЕТЬ».

Обработка результатов измерений

1. Для каждого диода построить по экспериментальным данным прямую и обратную ВАХ.

2. Вычислить по экспериментальным характеристикам:

прямое и обратное сопротивления диода по постоянному току;

прямое и обратное дифференциальное сопротивления;

дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации.

Точки для определения сопротивлений выбрать самостоятельно.

Контрольные вопросы

1. Как обозначается в схеме выпрямительный диод и стабилитрон?

2. Перечислить основные параметры диодов.

3. Принцип работы полупроводниковых выпрямительных диодов.

4. Виды пробоев p-n-перехода и их использование.

5. Какими видами емкостей обладает р- n-переход ?

6. Маркировка диодов.

Лабораторная работа 2