Лабораторна робота № 3 Напівпровідникові діоди

3.1 Мета роботи:

1. Дослідження напруги і струму діода при прямому і зворотньому зміщенні р-н переходу.

2. Побудова та дослідження вольт-амперної характеристики (ВАХ) напівпроводнікового діода.

3. Дослідження опору діода при прямому і зворотньому зсуві по вольт-амперній характеристиці.

4. Побудова вольт-фарадної характеристики варикапа.

3.2 Короткі теоретичні відомості

Для дослідження напруги та струму діода при прямому і зворотному зсуві р-н переходу досить мати універсальний прилад - мультиметр. За допомогою цього приладу можна зняти вольт-амперну характеристику (ВАХ) діода або будь-якого іншого нелінійного двополюсника. Найпростіше в цьому випадку вимірювати напругу на діоді у схемі, що показана на малюнку 3.1, під'єднуючи до діода через резистор джерела напруги різної величини.

Рисунок 3.1 - Схема вимірювання напруги на діоді

Струм діода при цьому можна визначити з виразу:

(3.1)

де Iпр - струм діода в прямому напрямку, Е - напруга джерела живлення, Uпр - напруга на діоді в прямому напрямку. Змінивши полярність включення діода в тій ж схемі (рисунок 3.1), можна зняти ВАХ діода за тією ж методикою і у зворотньому напрямку

(3.2)

де Iоб - струм діода у зворотному напрямку, Uоб - напруга на діоді у зворотньому напрямку. Точність при таких вимірюваннях не висока через розкид опорів у резисторів одного номіналу. На малюнку 3.2 показана схема вимірювання струму діода. Для отримання більш точної характеристики при використанні тільки одного мультиметра, необхідно спочатку виміряти напругу в схемі на рисунку 3.1, а потім струм в схемі на рисунку 3.2. При цьому можна користуватися, як і раніше, тільки мультиметром, підключаючи його один раз як вольтметр, а другий раз як амперметр.

Рисунок 3.2 - Схема вимірювання струму діода

Набагато швидше можна виконати цю роботу, якщо використовувати і вольтметр, і амперметр. Тоді, включивши їх за схемою, яка зображена на малюнку 3.3, можна одночасно бачити струм і напругу на таблі цих приладів.

Рисунок 3.3 - Схема для зняття ВАХ діода

Вольт-амперна характеристика може бути отримана шляхом вимірювання тиску на діоді при протіканні різних струмів за рахунок зміни напруги джерела живлення Vs. Схема для дослідження ВАХ діода за допомогою осцилографа показана на рисунку 3.4

Рисунок 3.4 - Схема для дослідження ВАХ діода з допомогою осцилографа

При такому підключенні координата точки по горизонтальній осі осцилографа буде пропорційна напрузі, а по вертикалі – струму через діод. Оскільки напруга у вольтах на резисторі чисельно дорівнює струму через діод в амперах (I , , , U), то по вертикальній осі можна безпосередньо зчитувати значення струму. Якщо на осцилографі обраний режим В / А, то величина, пропорційна струму через діод (канал В), буде відкладатися по вертикальній осі, а напруга (канал А) - по горизонтальній. Це і дозволить отримати вольт-амперну характеристику безпосередньо на екрані осцилографа.

При отриманні ВАХ діода за допомогою осцилографа на канал А замість точної напруги на діоді подається сума напруги діода і напруги на резисторі R2. Помилка через це буде мала, оскільки падіння напруги на резисторі буде значно менше, ніж напруга на діоді. Через нелінійності діода його не можна характеризувати величиною опору, як лінійний резистор. Відношення напруги на діоді до струму через нього , має назву статичнимй опір і залежить від величини струму. У ряді застосувань на постійну складову струму діода накладається невелика перемінна складова (зазвичай при цьому говорять, що елемент працює в режимі малих сигналів). У цьому випадку інтерес представляє диференційний (або динамічний) опір . Величина динамічного опору залежить від постійної складової струму діода, яка визначє робочу точку на характеристиці.

Побудова вольт-фарадної характеристики варикапа.

Напівпровідниковий діод, дія якого заснована на використанні залежності бар'єрної ємності Сбар від значення прикладеної зворотної напруги назиється варикапом. Це дозволяє застосувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.

Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика - залежність бар'єрної ємності від значення прикладеної зворотної напруги. Схематичне зображення варикапа і його вольт-фарадна характеристика наведені на рисунку 3.5.

Рисунок 3.5 - Схематичне зображення варикапа і його вольт-фарадна характеристика

У варикапах, які випускаються промисловістю, значення ємності може змінюватися від одиниць до сотень пікофарад. Основними параметрами варикапа є Св - ємність, яка виміряна між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі; Кс - коефіцієнт перекриття по ємності, які використовуюся для оцінки залежності і рівний відношенню ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги . Варикапи застосовуються як конденсатори з керованою ємністю. Їх ділять на будівельні і помножувальні, або варактори. Будівельні варикапи використовують для зміни резонансної частоти коливальних систем.

Для отримання вольт-фарадної характеристики можна використовувати схему ємнісного дільника з діодом, яка показана на рисуноку 3.6

Рисунок 3.6 - Схема ємнісного дільника з діодом