Исследование выпрямительных диодов

Министерство Образования Украины

Донецкий национальный технический университет

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по курсу “Электроника”

(для студентов специальности 6.090902

“Научные, аналитические и экологические приборы и системы”)

Утверждено на заседании кафедры “Электронная техника”

Протокол № 3 от 20.11.2006

Донецк, ДонНТУ 2006.

УДК

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника» для студентов специальности 6.090902 “Научные, аналитические и экологические приборы и системы” /Сост. А.Г. Лыков, В.П. Тарасюк, О.А. Довженко, - Донецк: ДоНТУ, 2006 – 32 с. – русский язык/

Приведены цели и задачи лабораторных работ, порядок их выполнения, требования к содержанию и оформлению отчетов, задания на лабораторные работы, методические указания к их выполнению, а также основные теоретические положения.

Составили: А.Г. Лыков, асистент

В.П. Тарасюк, канд. техн. наук, доцент

О.А. Довженко, студент

Ответственный за выпуск: А.А.Зори, д.т.н., профессор

Рецензент:В.В. Червинский, к.т.н., доцент

Содержание

Стр.

Введение 4

Лабораторная работа № 1. Исследование выпрямительных диодов 5

Лабораторная работа № 2. Исследование стабилитронов 10

Лабораторная работа №3. Исследование биполярного транзистора 13

Лабораторная работа № 4. Исследование полевого транзистора с

управляющим p-n переходом 19

Лабораторная работа № 5. Исследование полевых транзисторов с

изолированным затвором 23

Лабораторная работа № 6. Исследование тиристоров 28

Рекомендуемая литература 32

Введение

Настоящие методические указания предназначены для студентов специальности "Научные, аналитические и экологические приборы и системы" (6.090902) и являются руководством к выполнению лабораторных работ по курсу "Электроника". Цель этого курса – изучить физические принципы полупроводниковых приборов, их устройства, основные характеристики и параметры.

Лабораторные работы начинаются с краткого изучения теоретических основ работы устройства. Методики выполнения лабораторных работ и анализ полученных результатов, предусматривает решение студентом ряда задач, содержащих элементы НИРС.

Подготовка к лабораторным работам должна осуществляться по лекционному материалу и рекомендованной литературе. При подготовке к лабораторным занятиям студент должен твердо уяснить цель и порядок выполнения работы, теоретические основы изучаемого устройства, его назначение, характеристики и параметры.

Качество подготовки к лабораторным занятиям проверяется преподавателем путем опроса студентов перед лабораторными работами. В соответствии с приведенными в описании лабораторных работ требованиями каждый студент составляет отчеты по работам.

Лабораторная работа № 1

Исследование выпрямительных диодов

Цель работы: изучить конструкцию и принцип действия полупроводниковых диодов, снять вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов и экспериментально определить их параметры.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n - переходом и двумя выводами.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, детекторные, переключающие, стабилитроны (опорные), туннельные, фотодиоды и др. В частности, выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в ток постоянного направления.

Выпрямительные диоды, как и большинство полупроводниковых диодов, выполняют на основе несимметричных р-n - переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную - базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i-, n-i- переходы, а также переходы металл - полупроводник.

Идеализированная вольт-амперная характеристика диода при прямом включении описывается выражением:

где I_Т - тепловой или обратный ток насыщения;

- ток диффузии основных носителей заряда. I_T за счет снижения потенциального барьера увеличивается в раз и является функцией приложенного напряжения (рисунок 1.1).

При обратном включении диода потенциальный барьер р-n – перехода повышается. Тепловой ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, остается неизменным, а ток, вызванный диффузией основных носителей заряда, уменьшается по экспоненциальному закону.

Результирующий ток р - n – перехода будет равен:

В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I_Т при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода (рисунок 1.1).

С учетом падения напряжения на базе диода уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики будет иметь вид:

где r_б - омическое сопротивление базы диода.

Рисунок 1.1 – Вольт-амперная характеристика идеального и реального диодов

Используя вольт-амперную характеристику диода можно построить его схему замещения. Для этого вольтамперную характеристику аппроксимируют отрезками прямых линий (количество отрезков желательно выбирать не более двух) и для каждого участка аппроксимации составляют линейную электрическую схему замещения. Для диода (рисунок 1.2) участки аппроксимации описываются уравнениями:

Участок 1:i = 0; U£ E₀;

Участок 2:U = E₀ + i∙R_д; U³ E₀,

где R_д - дифференциальное сопротивление диода.

Соответственно, схемы замещения имеют вид, показанный на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2 – Аппроксимация вольт-амперной характеристики диода

Рисунок 1.3 – Схема замещения диода

При увеличении обратного напряжения может произойти пробой р - n - перехода диода. Под пробоем р-n - перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, при этом возрастает обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-n -перехода, когда количество теплоты выделяемой током в р-n - переходе, больше количества теплоты, отводимой от него.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. При лавинном пробое напряжение на p-n -переходе остается постоянным.

Тепловой пробой p-n - перехода необратимый и приводит к разрушению перехода. Туннельный и лавинный пробои являются обратимыми.

а) прямое включение

б) обратное включение

Рисунок 1.4 – Схемы для снятия вольт-амперной характеристики выпрямительных диодов

Рисунок 1.5 – Схема для исследования работы диода при действии на входе переменного синусоидального сигнала

Порядок выполнения работы

1. На лабораторном стенде собрать схему, представленную на рисунке 1.4а.

2.Изменяя напряжение Е от 0 до 5 В снять и построить вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого выпрямительных диодов, включенных в прямом направлении. Определение тока производится косвенным методом:

Величина сопротивления резистора R составляет 100 Ом.

Полученные результаты занести в таблицу 1.1.

3. На лабораторном стенде собрать схему, представленную на рисунке 1.4б.

4. Снять и построить вольт-амперную характеристику германиевого и кремниевого выпрямительных диодов, включенных в обратном направлении.

Таблица 1.1 – Данные для построения вольт-амперной характеристики выпрямительного диода

U10
U20
I

5. Исследовать работу выпрямительного диода при действии на входе переменного синусоидального сигнала. Для этого собрать схему, представленную на рисунке 1.5.

6.Установить заданную амплитуду выходного напряжения генератора E_m. Снять осциллограммы напряжений на резисторе R и диоде. Измерить среднее и действующее значения напряжений на резисторе R и диоде.

Содержание отчета

1. Схемы для снятия вольт-амперных характеристик, данные эксперимента, построенные вольт-амперные характеристики диодов.

2. Определенные по данным эксперимента параметры эквивалентных схем замещения выпрямительных диодов. Схемы замещения.

3. Осциллограммы напряжения и тока диода при действии на входе схемы переменного синусоидального сигнала, экспериментальные и теоретические значения напряжения и тока диода.

4. Выводы

Контрольные вопросы

1. Как изменяются характеристики диодов при изменении температуры?

2. В чем отличие вольт-амперных характеристик диодов на основе кремния и германия?

Лабораторная работа № 2