ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Ge Si

Рис. 1.2. Вольт - амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов

Для диодов из германия, у которого энергия ионизации атомов (равная ширине запрещенной зоны) меньше, чем у кремния (сравни­те 0,7 эВ и 1,12 эВ), характерно меньшее значение прямого напря­жения при одинаковых значениях прямых токов, большая величина обратного тока и заметное увеличение его при увеличении обратно­го напряжения (см. рис. 1.2) и росте температуры.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- максимальный прямой ток 1_пр._макс.;

- максимальное обратное напряжение U _oбp.мax;

- прямое напряжение на диоде при максимальном значении прямого тока;

- максимально-возможное значение обратного тока I _обр, при максимальном обратном напряжении. Реально обратный ток диода зачастую значительно меньше указанного в справоч­нике;

- дифференциальное сопротивление диода, определяемое как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его приращению тока. Различают дифференциальные сопротивления диода, смещенного в прямом направлении.

, (1.1)

и смещенного в обратном направлении

; (1.2)

- сопротивление диода постоянному току при смещении его в прямом направлении

; (1.3)

- максимально допустимая мощностьрассеяния Р_мак зависит от габаритов, конструкции диода и условий охлаждения дио­да при работе в устройствах.. Для диодов малой мощности прямой ток может доходить до 300 мА, а обратный ток у кремниевых диодов составляет 10-100 нА, у германиевых -10-100 мкА. С ростом температуры обратный ток возрастает заметно, особенно у диодов из германия, а прямой ток очень незначительно,

Распределенное сопротивление структуры диода r_б является параметром, о котором можно найти сведения в справочниках. Но его можно определить, измерив прямую ветвь характеристики дио­да.

При значительных прямых токах справедливо выражение (3.1). Измерив два значения прямого тока и соответствующие им значения прямого напряжения, получим

,

откуда

 

или

.

При значительной величине прямого тока можно утверждать, что величина распределенного сопротивления r_б одного порядка с дифференциальным сопротивлением R_пр.

Стабилитроны применяют для стабилизации напряжения. Рабо­чим режимом стабилитрона является электрический пробой. Для стабилитронов с напряжением стабилизации, не превышающим 5 вольт, характерен преимущественно туннельный пробой, для на­пряжений более 6 вольт - лавинный пробой.

Рис.1.3.ВАХ стабилитрона

Для стабилитронов введены такие параметры:

- напряжение стабилизации U_ст - это напряжение пробоя при заданном значении тока через стабилитрон. Из-за разброса напряжения пробоя от экземпляра к экземпляру в справоч­никах указывают интервал возможных значений напряжения стабилизации;

- минимальный ток стабилизации I_{ct мин} - ток, при котором пробой является устойчивым. В справочниках указывают максимальное из всех возможных значений минимального тока; максимальный ток стабилизации I_СТ. _макс - ток, определяе­мый допустимой для стабилитрона мощностью рассеяния;

- дифференциальное сопротивление стабилитрона, определяемое как отношение приращения напряжения к вызвавшему его приращению тока r_диф=ΔU_ст /ΔI _ст.

Чем меньше значение дифференциального сопротивления, тем качество стабилитрона выше.

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации – это относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус (обычно указывается в процентах на градус).

Для стабилизации напряжения на нагрузке ее подключают параллельно стабилитрону, а последовательно с ним - балластный резистор, на котором и происходит гашение изменения напряжения какого - либо нестабильного источника (рис.1. 4).

Рис.1.4. Параметрический стабилизатор напряжения

 

Изменение выходного напряжения ΔU_ст будет значительно меньше изменения напряжения ΔЕ_ст на входе стабилизатора.

 

. (1.4)

Из (1.4) видно, что чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона, тем выше свойства стабилизатора. Увеличение сопротивления балластного резистора также повышает стабилизирующие свойства схемы, но при этом растет мощность, рассеиваемая этим резистором, и требуется увеличение напряжения на входе.

Туннельные диоды – это диоды, использующие туннельный эффект.

В туннельных диодах благодаря высокой концентрации примесей (до 10²⁰ см^-3) толщина перехода составляет около 1 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода электронов через потенциальный барьер является очень значительной.

При нулевом смещении количество взаимных переходов примерно одинаково и результирующий ток равен нулю. При обратном смещении преобладает поток электронов из р – области в n – область – обратный ток значителен (диод не закрывается).

ВАХ туннельного диода приведена на рис.1. 5.

Рис 1.5. Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Основными параметрами туннельных диодов являются:

- ток пика I_П, прямой ток в точке первого перегиба вольт - амперной характеристики диода;

- ток впадины I_В, минимальный ток при прямом смещении диода;

- напряжение пика U_n - прямое напряжение, соответствующее току пика;

- напряжение впадины U_B;

- напряжение раствора U_p - прямое напряжение, больше напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

- дифференциальное сопротивление R_i - отношение приращения прямого напряжения к вызвавшему его приращению прямого тока на падающем участке характеристики

. (1.5)

Туннельные диоды применяют в коммутаторах, генераторах, усилителях (бла­годаря наличию падающего участка на характеристике) на очень высоких и сверх высоких частотах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ(ДИОДЫ)

1. Поясните кратко, почему диод при подаче положительного потенциала на анод (р-область) и отрицательного на катод (п - областъ) проводит ток, а при обратном - нет.

2. Какие заряды создают внутреннее электрическое поле и кон­тактную разность потенциалов ЭДП? Какое значение имеет контактная разность потенциалов в германиевых и кремниевых ЭДП?

3. Определите по схеме (рис. 1.6) в каком состоянии находится диод (открытом, закрытом).

Определите материал полупроводника в соответствии с условным обозначением диода.

Рис. 1.6

4. Что происходит с толщиной ЭДП, внутренним электрическим полем и контактной разностью потенциалов под действием прямого и обратного напряжения?

5. Как действует электрическое поле ЭДП на движение основных (неосновных) носителей заряда? Что происходит с током ос­новных (неосновных) носителей заряда при прямом и обратном напряжении на диоде?

6. Какими носителями образован тепловой ток? Какова ориентировочно его величина в германиевых и кремниевых диодах? Что происходит с величиной этого тока с ростом температуры?

7. Какими носителями образован прямой (обратный) ток? Как он зависит от прямого (обратного) напряжения? Что называется инжекцией (экстракцией)?

8. Изобразите на одном рисунке вольт - амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Поясните их отличия.

9. Изобразите на одном рисунке вольт - амперные характеристики диода для нормальной и повышенной температуры. Поясните изменения. Какие полупроводники выдерживают большие темпера­туры?

10. Поясните отличие вольт - амперных характеристик реального и идеального диодов?

11. Каково назначение стабилитрона? Приведите простейшую схему включения стабилитрона и поясните его работу. Изобразите рабочий участок вольт - амперной характеристики стабилитрона и перечислите параметры. Какие значения этих параметров предпоч­тительнее?

14. Чем отличается вольт - амперная характеристика туннельного диода от, например, выпрямительного? Поясните эти отличия. Для чего применяют туннельные диоды? В чем их преимущество?

15. Приведите примеры буквенно-цифрового обозначения диодов. Как определить из обозначения материал полупроводника, тип диода и его параметры?

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

В комплект лабораторной установки входят макет «Диоды и транзисторы», комбинированный электроизмерительный прибор (тестер) или вольтметр ВК7 – 9 (15), блок питания с регулируемым выходным напряжением 0 – 10 вольт. Схема макета функционально состоит из трех узлов:

узла для снятия прямой ветви вольт – амперной характеристики (ВАХ) германиевых и кремниевых диодов, рабочей ветви ВАХ стабилитронов и прямой ветви ВАХ туннельных диодов;

узла для проверки работоспособности и измерения коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером маломощных биполярных транзисторов;

встроенного миллиамперметра с возможностью переключения пределов измерения от 150 (200) мкА до 150 (200) мА.

Узел для испытаний диодов (рис.1.7) содержит выпрямительные диоды (германиевый икремниевый), стабилитроны, туннельный диоды. С помощью тумблеров ВАРИАНТ имеется возможность выбора для проведения испытаний одного из двух типов диодов.

Последовательно с каждой парой диодом включен ограничительный резистор, исключающий выход из строя прибора при проведении испытаний, имеются коммутационные гнезда, позволяющие собрать схемы снятия ВАХ.

Для сборки схем измерения и подключения измерительных приборов имеется комплект коммутационных проводов со штекера­ми.

Испытательное напряжение в пределах от 0 до 10 вольт подается на узел снятия ВАХ диодов от блока питания через тумблер переключения ДИОДЫ- ТРАНЗИСТОРЫв положении ДИОДЫ.

Узел для испытания транзисторов (рис.1.8) имеет следующие основные элементы:

контактные панели для подключения маломощных транзисторов рпр и прп типов;

переключатель рпр - прп - для подачи питающих напряжений на выводы транзистора в зависимости от типа его проводимости;

переключатель I_К – I_Б - для коммутации гнезд подключения миллиамперметра в цепь базы или коллектора;

коммутационные гнезда, позволяющие собрать схемы измерения обратного тока эмиттерного и коллекторного переходов биполярного транзистора, начального тока коллектора, определения статического коэффициента усиления по току b;

резисторы: R1 – ограничительный в цепи базы биполярного транзистора; R2 – переменный, для установки требуемого значения тока базы; R3 – ограничительный в цепи коллектора.

Испытательное напряжение в пределах от 6 до 8 вольт подается от блока питания через тумблер переключения ДИОДЫ- ТРАНЗИСТОРЫв положении ТРАНЗИСТОРЫ. О подаче питающего напряжения на узел свидетельствует загорание светодиода.

Стабилизация напряжения, подаваемого на выводы транзистора, на уровне 3,3 В выполняется стабилитроном VD1 (КС133А).

 

 

Рис.1.7. Схема макета «Диоды»

 

Рис.1.9. Схема испытания кремниевого диода

Рис.1.10. Схема испытания германиевого диода

 

 

Рис.1.11. Схема испытания стабилитрона

Рис.1.12. Схема испытания туннельного диода

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

I. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

1. Подготовить тестер для измерения малых постоянных напряжений, для чего дисковый переключатель установить в положение НАПРЯЖЕНИЕ с пределом измерения 1 вольт, переключатель IUR - транзистор в положение IUR, переключатель «¾ ~ » в положение «¾». Состояние остальных органов управления не имеет значения.

При использовании вольтметра ВК7- 9 (15) необходимо проверить его работоспособность и подготовить к измерению постоянных напряжений:

- подключить шнур питания к сети переменного тока 220 В 50 Гц и нажать кнопку U⁺. При этом должна заго­реться лампочка СЕТЬ. Прогреть прибор в течение 5 минут.

- установить предел измерения 0,3 В;

- соединить накоротко гнезда ┴ и ±0_}3 …10;

- ручкой 0 установить стрелку индикатора на деление 0 шкалы 0-30.

При использовании мультимера необходимо подготовить его для измерения малых постоянных напряжений с пределом измерения 1 вольт.

2. Со стороны монтажа макета прочитать тип выпрямительных диодов и, пользуясь справочным листом, заполнить табл.1.1. (Вариант испытания определяет преподаватель).

Таблица 1.1

№ п/п	Параметры	Тип диода
Германиевый	Кремниевый
	Обозначение выпрямительного диода
	Постоянное прямое напряжение (Вольт) при максимальном прямом токе
	Среднее значение выпрямленного тока, мА
	Допустимое обратное напряжение, В
	Средний обратный ток, мкА

 

3. Собрать электрическую схему исследования прямой ветви вольт - амперной характеристики кремниевого диода (рис. 1.9) и предъявить для проверки преподавателю.

При подключении макета к блоку питания обратить внимание на полярность напряжения: КРАСНЫЙ ПРОВОД – «+», БЕЛЫЙ ПРОВОД «-». Тумблер ДИОДЫ- ТРАНЗИСТОРЫдолжен находится в положении ДИОДЫ.

При подключении миллиамперметра обязательно соблюдать указанную на схеме полярность. Установить переключатель ПРЕДЕЛЫИЗМЕРЕНИЯ миллиамперметра в положение, соответствующее максимальному пределу измерения тока (200 мА).

Установить ручку РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ на блоке питания в крайнее левое положение (выходное напряжение блока равно нулю.

4. После проверки схемы преподавателем включить блок питания, установив тумблер СЕТЬ в верхнее положение. При этом должна загореться индикаторная лампочка. Вращая по часовой стрелке ручку РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ, установить прямой ток диода I_пр - 150 мА, отсчитать напряжение по шкале измерительного прибора. Эти значения тока и напряжения на­нести в виде точки на график характеристики.

Затем, вращая ручку РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ против часовой стрелки (уменьшая выходное напряжение блока питания) измерить и нанести на график напряжения при прямых токах в 100, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2, 0 миллиампер. Соединить плавной кри­вой эти точки.

Для уточнения хода характеристики измерить прямое напряже­ние и при других значениях тока.

5. Включить в схему германиевый диод. Для этого миллиамперметр подключить кгнездам 1, 3, а вольтметр – к гнездам 7, 10 (см. рис. 1.10)

6. По методике п.4 измерить и построить прямую ветвь вольт - амперной характеристики германиевого диода.

Регулятор напряжения на блоке питания установить в крайнее левое положение и установить тумблер СЕТЬ в нижнее положение. При этом гаснет индикаторная лампочка.

7. На линейных участках прямых ветвей вольт - амперных ха­рактеристик обоих диодов задаться одинаковыми изменениями то­ков (от 50 мА до 150 мА), определить соответствующие им измене­ния напряжений и по выражению (1,1) рассчитать дифференциаль­ные сопротивления германиевого и кремниевого диодов. Для расче­та сопротивлений диодов в прямом направлении постоянному току по выражению (1.3) задаться величиной прямого тока I₀ = 100 мА.

Расчеты в полном объеме привести в отчете. Результаты расчета свести в таблицу. В выводах по данной части эксперимента пояснить ход вольт - амперных характеристик диодов (привести соответствующие выражения), причину отличия вольт - амперных характеристик герма­ниевого и кремниевого диодов. Оценить величины рассчитанных со­противлений, сравнить их длягерманиевого и кремниевого диодов.

П. ИССЛЕДОВАНИЕ КРЕМНИЕВОГО СТАБИЛИТРОНА

1. Прочитать тип стабилитрона (со стороны монтажа макета) изаполнить графу «Справочные» табл. 1.2. Данные взять из справоч­ного листа.

Таблица 1.2 Основные электрические параметры кремниевого стабилитрона

№ п/п	Параметры	Тип диода
Справочные	Экспериментальные
	Напряжение стабилизации Вольт (при токе стабилизации =)
	Дифференциальное сопротивление,Ом
	Минимальный ток стабилизации, мА
	ТКН стабилизации, %/ град
	Изменение напряжения стабилизации через 1 мин прогрева, В

2. Собрать электрическую схему измерений (рис. 1.11). Преде­лы измерений миллиамперметра и вольтметра установить не менее максимальных значений тока и напряжения стабилизации. Предъя­вить схему для проверки преподавателю.

3. После проверки схемы на блоке питания установить ручки РЕГУЛИРОВКА в крайнее левое положение, тумблер СЕТЬ - в верхнее положение. При этом должна загореться индикаторная лампочка.

Изменяя напряжение на выходе выпрямителя ручкой РЕГУЛИРОВКА, установить ток, равный максимальному току стабилизации и провести отсчет напряжения. При этом надо учитывать, что до достижения пробоя стабилитрона ток практически отсутствует. Затем установить ток, равный минимальному току стабилизации и провести отсчет напряжения. Обе точки нанести на график и соединить отрезком прямой линии - рабочий участок харак­теристики.

Для более полного отражения измерить вольт - амперную харак­теристику, уменьшая ток до 1 -2 мА. Остальную часть характеристи­ки не снимать и не отражать на графике.

Примечания: 1. Чтобы избежать погрешностей измерений за счет самопрогрева стабилитрона время нахо­ждениястабилитрона под напряжением со­кратить до минимально-необходимого для снятия показаний прибора.

2. Для повышения точности измерения повто­рить после паузы, необходимой для остыва­ния стабилитрона.

4. На ВАХ стабилитрона показать изменения тока и напряжения, определить их и рассчитать величину дифференциального сопротивления (см. рис. 1.3).

Рассчитать средние значения напряжения стабилизации U_CT и тока I_СТ и показать их на графике характеристики (см. рис. 1,3.). Расчеты привести в отчете, результаты занести в табл. 1.2.

5. Определять знак ТКН. Для этого в течение одной минуты выдержать максимальное значение тока, и определить на какую ве­личину и в каком направлении изменилось напряжение стабилиза­ции. Выключить блок питания.

В выводах по данному пункту измерений указать соответствует ли ход вольт - амперной характеристики стабилитрона теоретическим положениям, сравнить расчетные (экспериментальные) значения параметров со справочными. Учитывая знак температурного коэф­фициента напряжения определить вид электрического пробоя - ла­винный или туннельный.

III. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА

1. Определить тип диода и заполнить графу «Справочные» табл. 1.3.

Таблица 1.3. Основные электрические параметры туннельного диода

№ п/п	Параметры	Значения параметров
Справочные	Экспериментальные
	Ток пика, мА
	Ток впадины, мА
	Отношение токов пика и впадины
	Напряжение пика, В
	Напряжение впадины, В
	Напряжение раствора, В
	Дифференциальное сопротивление на падающем участке характеристики. В

 

2. Собрать электрическую схему исследования туннельного диода (рис. 1.12), пределы измерений миллиамперметра и вольтметра установить в соответствии со значениями тока и напряжения пика. Предъявить схему для проверки.

3. После проверки схемы на блоке питания установить ручки РЕГУЛИРОВКА в крайнее левое положение, тумблер СЕТЬ - в верхнее положение. При этом должна загореться индикаторная лампочка. Очень медленно увеличивая напряжение выпрямителя ручкой РЕГУЛИРОВКА определить координаты пика (I_n, U_n). Признаком того, что ток и напряжение достигли пиковых значений, является скачок напряжения в сторону увеличения и скачок тока (небольшой) в сторону уменьшения. Повторить измерения 2-3 раза, точно определить пиковые значения тока и напряжения.

4. Установить предел измерения вольтметра не менее напряжения раствора и установить после скачка ток, равный пиковому значению. Напряжение, показываемое вольтметром, есть напряжение раствора.

5. Для определения координат впадины (I_B, U_B) изменять напряжение в сторону уменьшения от напряжения раствора U_p до вто­рого скачка - напряжение резко уменьшается, ток незначительно
возрастает. Повторить эту операцию 2-3 раза для более точного определения координат впадины.

Результаты измерений занести в табл. 3.3 и по ним построить вольт - амперную характеристику. Для уточнения хода характеристи­ки можно дополнить ее точками на участках U < U_n и U > U_B.

6. На падающем участке характеристики показать изменения тока и напряжения, определить величины этих изменений и рассчитать величины отрицательного дифференциального сопротивления (см. рис. 1.5 и (1.5)).

В выводах описать ход характеристики туннельного диода, по­яснить наличие падающего участка (назовите две составляющие прямого тока диода при, как они соотносятся при измене­нии U_np,). Сравнить экспериментальные параметры со справочными. Указать область применения данных диодов.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- номер и наименование работы;

- цели работы;

- номера и наименования пунктов исследований;

- схемы исследований;

- табл. 1.1... 1.3 со справочными и экспериментальными (расчетными) параметрами;

- графики ВАХ выпрямитель­ных диодов, стабилитрона, туннельного диода с необхо­димыми построениями для расчета дифференциальных сопротивлений;

- выводы по каждому пункту исследований.