Краткие теоретические сведения. Цель работы: изучить принцип действия и основные характеристики полупроводниковых приборов: диода и стабилитрона
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА И СТАБИЛИТРОНА
Цель работы: изучить принцип действия и основные характеристики полупроводниковых приборов: диода и стабилитрона.
Краткие теоретические сведения
Полупроводниковый диод представляет собой монокристалл, в котором созданы области различной проводимости: дырочной (p-типа) и электронной (n-типа). Граница между этими областями называется p-n переходом (рисунок 1.1,а). Если к кристаллу приложить напряжение так, чтобы к p-области был приложен отрицательный потенциал, а к n-области – положительный, то носители, притягиваясь к разноименным полюсам, создадут около p-n перехода область, лишенную носителей.
Рисунок 1.1 – Полупроводниковые диоды и их характеристики
Эта область как бы разрывает цепь, и ток в этой цепи отсутствует. Такая полярность напряжения называется запирающей или обратной и соответствует закрытому состоянию диода (рисунок 1.1,б).
Противоположная полярность напряжения перемещает носители навстречу друг другу, и происходит переход (инжекция) носителей в «чужую» область. В результате во внешней цепи появляется ток. Такая полярность напряжения называется прямой или отпирающей и соответствует открытому диоду (рисунок 1.1,в). Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода изображена на рисунке 1.1,г. Здесь ветвь 0а соответствует проводящему (прямому) направлению, а ветвь 0b – непроводящему (обратному). В прямом направлении диод характеризуют допустимым током Iпр.доп. и соответствующим ему падением напряжения на диоде Uпр.max.
В обратном направлении диод характеризуют допустимым значением напряжения Uобр.max , которое может быть приложено к диоду.
Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический (не тепловой) пробой, позволяет использовать полупроводниковый диод в схемах стабилизации напряжения. Одна из возможных схем стабилизации представлена на рисунке 1.2. Выходное напряжение схемы с большой точностью поддерживается на заданном уровне Uвых=const, равном критическому (пробивному) напряжению диода. Разница между входным и выходным напряжениями гасится на сопротивлении RГ.
Если входное напряжение возрастает, то увеличивается и обратный ток диода, возрастает ток I и падение напряжения на гасящем сопротивлении RГ. Приращения напряжений Uвх и I·RГ взаимно компенсируются, а Uвых сохраняется на заданном уровне.
Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Недостаток данной схемы – зависимость пробивного напряжения стабилитрона, а, следовательно, и выходного напряжения Uвых от температуры. Эту зависимость можно существенно уменьшить, включив последовательно со стабилитроном компенсирующий диод в прямом направлении.
Рисунок 1.2
Программа работы.
1.2.1 Эксперимент 1: Снятие вольтамперной характеристики диода.
Создайте схему, изображенную на рисунке 1.3. Для снятия прямой ветви ВАХ переключатель установите в правое положение. Конкретное значение сопротивления R1 выберите по номеру варианта. Включите схему.
Рисунок 1.3
а) – схема в обозначениях по ГОСТ;
б) – схема в программе Electronics Workbench.
Последовательно устанавливая значение ЭДС источника GB2 от 6 до 0 В, запишите значения напряжения Uпри тока Iпрдиода в таблицу 1.1. На указанном диапазоне взять не менее 15-20 точек.
Таблица 1.1 – Прямая ветвь ВАХ диода
| Е, В | Uпр, В | Iпр, А |
Для снятия обратной ветви ВАХ переключатель установите в левое (по схеме) положение. Последовательно устанавливая значение ЭДС источника GB2 от 0 до 20В, запишите значения напряжения Uоби тока Iобдиода в таблицу 1.2.
Таблица 1.2 – Обратная ветвь ВАХ диода
| Е, В | Uоб, В | Iоб, А |
По полученным данным постройте графики Iпр=f(Uпр) и Iоб=f(Uоб).
1.2.2 Эксперимент 2: Получение вольтамперной характеристики диода на экране осциллографа.
Создайте схему (рисунок 1.4). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной – ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ (линия получается множественной, вследствие переходных процессов, происходящих в полупроводниковом приборе в момент включения; при установившемся режиме останется одна линия).
Рисунок 1.4
а) – схема в обозначениях по ГОСТ;
б) – схема в программе Electronics Workbench.
Начертите полученную ВАХ.
1.2.3 Эксперимент 3: Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.
Создайте схему (рисунок 1.5). Конкретное значение сопротивления R1 выберите по номеру варианта. Измерьте значение Uстна стабилитроне при значениях ЭДС источника от 0 до 35 В (в диапазоне 4-6 В точек брать больше!). Результаты измерений занесите в таблицу 1.3.
Рисунок 1.5
а) – схема в обозначениях по ГОСТ;
б) – схема в программе Electronics Workbench.
Таблица 1.3 – Данные для построения ВАХ стабилитрона
| Е, В | Uст, В | Iст, А |
Вычислите ток Iстстабилитрона для каждого значения напряжения Uстпо формуле
Результаты вычислений занесите в таблицу 1.3. в столбец Iст. По данным таблицы постройте ВАХ стабилитрона и оцените по ней напряжение стабилизации. Оно определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается.
1.2.4 Эксперимент 4: Получение вольтамперной характеристики стабилитрона на экране осциллографа.
Создайте схему (рисунок 1.6). Включите схему. Начертите полученную ВАХ и определите по ней напряжение стабилизации.
Рисунок 1.6
а) – схема в обозначениях по ГОСТ;
б) – схема в программе Electronics Workbench.
Контрольные вопросы:
1. Какой электронный прибор называют полупроводниковым диодом?
2. Какие виды электрических переходов используются в полупроводниковых диодах?
3. Пояснить как образуется p-n-переход.
4. ВАХ p-n перехода.
5. Какое явление называется пробоем диода? Виды пробоя.
6. ВАХ стабилитрона.
Таблица с вариантами задания:
| № варианта | Эксперимент 1 | Эксперимент 2 | Эксперимент 3 | Эксперимент 4 |
| R1=850 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=150 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=870 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=170 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=890 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=190 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=910 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=200 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=930 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=220 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=950 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=250 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=970 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=270 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=990 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=290 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1010 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=300 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1050 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=320 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1100 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=350 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1150 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=370 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=860 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=160 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=880 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=180 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=900 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=1850 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=920 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=210 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=940 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=230 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=960 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=240 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=980 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=260 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1000 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=280 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1020 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=310 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1100 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=330 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1200 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=340 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | |
| R1=1240 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом | R1=350 Ом | R1=100 Ом; R2=1 Ом |