Узбекское агентство связи и информатизации

Лабораторная работа № 2


Исследование характеристик и параметров
полупроводниковых германиевого и кремниевого диодов

Цель работы: Исследовать основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов (ПД), влияние на них температуры окружающей среды.

1. Подготовка к лабораторной работе:

1. 
   ПД - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с разным типом проводимости n и р и обладающий односторонней проводимостью. ВАХ ПД представлены на рис. 2.1. Здесь 1 - теоретическая характеристика, 2 - характеристика реального прибора (она учитывает сопротивления объемов полупроводниковой структуры ПД и сопротивления внешних контактов, влияние дополнительного разогрева ПД мощностью, выделяемой в ПД при протекании через него тока, и т.п.).
   

	б)

а) в)

Рис. 2.1. ВАХ полупроводникового диода (а): 1 - теоретическая характеристика, 2 - характеристика реального прибора; условное обозначение диода при прямом (б) и обратном (в) включениях

1.2. Примерный вид ВАХ реального ПД показан на рис. 2.1. Пунктиром дана идеализированная ВАХ, соответствующая уравнению:


(2.1)
при Т = 300К, U_Т = 26 мВ.
Характеристики отражают основное свойство ПД. В открытом состоянии через ПД протекает значительный прямой ток (I_ПР>0); это состояние обеспечивается подачей на ПД прямого напряжения U_ПР (рис. 2.1 б).
В закрытом состоянии через ПД протекает весьма незначительный обратный ток I_ОБР>0 (I<0), величина которого у германиевых ПД имеет порядок 10^-5 – 10^-6А, а у кремниевых 10^-9 – 10^-12А. Закрытое состояние ПД обеспечивается подачей на него обратного напряжения U_ОБР (рис. 2.1. в).
Из рисунка 2.1. а видно, что прямая ветвь ВАХ реального ПД сдвинута относительно теоретической характеристики в область более высоких прямых напряжений с резко выраженной величиной порогового напряжения U_ПОР, т.е. напряжения, при котором возникает заметный прямой ток. У германиевых ПД величина U_ПОР ≈ 0,25 - 0,4 В, у кремниевых ПД - U_ПОР ≈ 0,65 - 0,8 В. Наклон прямой ветви ВАХ при U ≥ U_ПОР определяется в основном сопротивлением базовой области диода .
Влияние температуры окружающей среды на ВАХ ПД иллюстрирует рис. 2.2. При возрастании температуры увеличиваются прямой и обратный токи.
Основными параметрами ПД, учитывающими влияние температуры являются:
Температурный коэффициент напряжения α_t
(2.2)
и температура t*, соответствующая изменению обратного тока в е раз:
(2.3)



Рис. 2.2. ВАХ полупроводникового диода
при разных значениях температуры.

2. Задание на выполнение лабораторной работы:

2.1. Перед выполнением лабораторной работы нужно ознакомиться со схемой (рис. 2.3), методами измерений, используемыми измерительными приборами.

Рис. 2.3. Схема измерения ВАХ полупроводникового диода

2.2. Снять прямую ветвь ВАХ I=f(U) ПД (рис. 2.1. а). Эксперимент выполнить для двух ПД - германиевого и кремниевого.

Рекомендации для выполнения эксперимента:

Прямой ток I_ПР ПД очень сильно зависит от напряжения (рис. 2.1. а), поэтому для ограничения тока I ≤ I_ОБР последовательно с ПД необходимо включить ограничительный резистор R=560 Ом (рис. 2.3). Практически ВАХ ПД удобно снимать, устанавливая необходимую величину тока I_ПР ПД и фиксируя соответствующее этому току напряжение U_ПР.

При эксперименте зафиксировать величину порогового напряжения U_ПОР (при ).
Результаты измерений занести в таблицу протокола и построить график полученной зависимости I_ПР=f(U_ПР).

2.3. Снять обратную ветвь ВАХ ПД I_ОБР=f(U_ОБР) для германиевого ПД (рис.2.1. а).

Рекомендации для выполнения эксперимента:

Обратный ток ПД слабо зависит от U_ОБР (рис. 2.1. а), поэтому целесообразно снимать обратную ветвь ВАХ, устанавливая напряжения U_ОБР в интервале от 0 до U_{ОБР.ДОП} и измеряя соответствующие этим напряжениям значения тока, следует иметь в виду, что наиболее сильно ток изменяется в интервале от U=0 до U_ОБР = -1В.

Результаты измерений занести в таблицу протокола и построить график полученной зависимости I_ОБР=f(U_ОБР).

3. Обработка результатов измерений:

3.1. Обработка результатов измерений, выполненных в п. 2.2.

На графиках экспериментальных ВАХ германиевого и кремниевого ПД построить соответствующие теоретические характеристики, рассчитанные по формуле 2.1.

Величины теплового тока I₀ определите с помощью формулы 2.1 в точке U_ПР= U_ПОР, I_ПР=500 мкА, считая, что в данной точке теоретические и экспериментальные зависимости совпадают.
Определить по экспериментальным ВАХ при I_ПР=10 мА значения дифференциального сопротивления и сопротивления постоянному току для германиевого и кремниевого ПД.
3.2.Обработка результатов измерений выполненных в п.2.3 и 2.4:

Пользуясь экспериментальной ВАХ германиевого ПД (п.2.3), определить при U_ПР = 10 В дифференциальное сопротивление и сопротивление постоянному току .

4. Содержание отчета:

1. 
   схемы измерений;
   
2. 
   таблицы и графики снятых зависимостей;
   
3. 
   результаты расчетов и построения;
   
4. 
   анализ результатов измерений и расчетов.
   

5. Контрольные вопросы.

1. 
   Какова физическая природа тока насыщения I₀ ?
   
2. 
   Напишите уравнение ВАХ идеализированного диода и объясните физический смысл величин ?
   
3. 
   Как зависит ширина р-n перехода от величины и полярности приложенного напряжения ?
   
4. 
   Нарисуйте схему электрической модели диода, назовите её элементы и параметры.
   
5. 
   В чем состоит отличие ВАХ германиевых и кремниевых диодов при прочих равных условиях и чем это объясняется ?
   
6. 
   Как экспериментально определить параметры электрической модели диода ?