Теоретические положения. Принцип действия. Характеристики.

3.1. Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

Схематично диод можно представить состоящим из двух соприкасающихся друг с другом разных полупроводников (областей). Одна область обладает проводимостью p-типа (дырочной проводимостью), а другая – проводимостью n-типа (электронной проводимостью). Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах: positive — «положительный» и negative — «отрицательный». Область p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода. На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов переноса зарядов через p-n переход.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рисунке 2. Здесь в одном рисунке показаны ВАХ германиевого и кремниевого диодов. На координатных осях нет никаких цифр, поскольку для разных типов диодов они могут существенно различаться: силовой диод может пропустить прямой ток тысячи ампер, в то время как маломощный всего несколько десятков миллиампер, а обратное максимальное напряжение может быть от десятков вольт до 5000 В.

Рисунок 2. ВАХ диода

В первом квадранте системы координат расположена прямая ветвь характеристики, когда диод находится в прямом включении, - к аноду подключен положительный вывод источника тока, соответственно отрицательный вывод к катоду.

По мере увеличения от нуля прямого напряжения U_пр, начинает возрастать и прямой ток I_пр. Но пока это возрастание незначительно, диод практически заперт.

При достижении определенного уровня напряжения U_Д на характеристике появляется излом: напряжение практически не меняется, а ток стремительно растет. Диод открывается. Для большинства современных диодов это напряжение находится в пределах 0,3…1.1 В. При максимальном прямом ток е I_пр.мах диода

На рисунке видно, что для германиевого диода прямое напряжение несколько меньше (0,3…0,4 В), чем для кремниевого (0,7…1,1 В). Если прямой ток через диод умножить на прямое напряжение, то полученный результат будет не что иное, как мощность, рассеиваемая на диоде P_д.пр =U_пр*I_пр.мах. Если эта мощность будет превышена относительно допустимой, то может произойти перегрев и разрушение p-n перехода. Поэтому в справочниках ограничивается максимальный прямой ток, а не мощность так как считается, что прямое напряжение известно и изменяется незначительно. Для отведения излишнего тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы - радиаторы. Существенно уменьшить такие потери можно, если снизить прямое падение напряжения U_пр на диоде. Вместо p-n перехода в них используется переход металл – полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4 В, что значительно снижает мощность P_Д, а соответственно и нагрев диода. Такие диоды получили название диодов Шоттки. Практически все блоки питания современной электронной аппаратуры имеют выпрямители на диодах Шоттки.

В третьем квадранте системы координат расположена обратная ветвь характеристики, когда диод находится в обратном включении, - к аноду подключен отрицательный вывод источника тока, соответственно положительный вывод к катоду. Как видно из характеристики, при включении диода в обратном направлении через него все равно протекает небольшой обратный ток. В зависимости от модели диода он может варьироваться от наноампер до десятков миллиампер.

Вместе с обратным током на диоде выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. Если эта мощность равная Р_д.обр =U_{обр.макс}*I_обр будет превышена, то возможен пробой p-n перехода, диод превращается в обычный резистор или даже проводник. На обратной ветви ВАХ этой точке соответствует загиб характеристики вниз. Обычно в справочниках указывается не допустимая мощность, а максимальное предельно допустимое обратное напряжение U_{обр.макс}.

Из выше изложенного следует, что прямой максимальный ток I_пр.мах и обратное максимальное напряжение U_{обр.макс} являются определяющими факторами при выборе диода.

Теперь теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. В настоящей работе мы экспериментально проверим это свойство.

3.2. Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном напряжении, когда на анод подают отрицательный потенциал, в режиме начинающегося пробоя. До этого режима через стабилитрон протекает незначительный ток утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей ома до сотен ом. Рабочим участком вольтамперной характеристики (режимом стабилизации) является участок обратной ветви, который почти параллелен оси токов (рис.2). Если ток стабилитрона превысит максимальный ток стабилизации возникнет необратимый электрический пробой, то есть стабилитрон сгорит.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 3 В до 400 В. Если менее 3 В их называют стабисторами и они работают на прямой ветви характеристики. В нашей работе используется стабилитрон на номинальное напряжение стабилизации 5,6 В.

Рисунок 3. ВАХ стабилитрона Рисунок 4. Стабилизатор напряжения

В простейших (параметрических) стабилизаторах стабилизация напряжения U_н на нагрузке основана на свойстве стабилитрона сохранять постоянство напряжения при изменении (в определенных пределах) проходящего через него тока. Схема простейшего параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне изображена на рис.3. Если входное напряжение стабилизатора U_вx увеличится при неизменном сопротивлении нагрузки R_н из-за повышения напряжения сети, то в соответствии с вольтамперной характеристикой стабилитрона незначительное увеличение напряжения на нем приведет к значительному увеличению тока I_ст, протекающего через стабилитрон. Следовательно, увеличатся ток потребляемый из сети 1 _б= I_ст+I_н и падение напряжения I_бR_б на балластном сопротивлении R_б. На основании второго закона Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений цепи (U_н=U_вх – I_бR_б) и выходное напряжение U_н изменится незначительно.

При неизменном входном напряжении U_вx и увеличении тока нагрузки I_н, увеличится 1 _б, что увеличит падение напряжения I_бR_б на балластном сопротивлении R_б и, следовательно, уменьшит напряжение на стабилитроне. В соответствии с характеристикой стабилитрона уменьшится ток стабилитрона I_ст, соответственно уменьшится I_бR_б и выходное напряжение U_н=U_вх – I_бR_б изменится незначительно.

Для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить условия, при которых ток стабилитрона не должен выходить за пределы рабочего диапазона I _{сm min} + I_{cm mах}. Поэтому величину балластного сопротивления выбирают из условия

где номинальный ток стабилизации, I_н- ток нагрузки.

Коэффициент стабилизации характеризующий стабильность выходного напряжения U_н, при изменении входного напряжения U_вх показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменения напря- жения на входе:

,

где r_Д – дифференциальное сопротивление стабилитрона,

изменения соответствующих напряжений.

3.3.Принцип работы светоизлучающих диодов (светодиодов) основан на излучающей рекомбинации в объеме р-n перехода при инжекции (увеличении концентрации) неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения. В результате чего переход испускает электромагнитные волны в узком диапазоне спектра, которые могут находиться в световом (видимом) или инфракрасном (невидимом) диапазоне. Диапазон излучения светодиода зависит от химического состава использованных полупроводников (арсенид галия, галия фосфид, галия нитрид и другие).

Вольт-амперная характеристика светодиодов аналогична вах диода. Главные электрические характеристики светодиодов это номинальные напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан.

Примерные напряжения светодиодов в зависимости от цвета

	Цвет излучения	Длинна волны, нм	Напряжение, В
Инфракрасные Красные Оранжевые Желтые Зеленые Синие Фиолетовые Ультрафиолетовые Белые	больше 760 610 — 760 590 — 610 570 — 590 500 — 570 450 — 500 400 — 450 короче 400 Широкий спектр	до 1.9 от 1.6 до 2.03 от 2.03 до 2.1 от 2.1 до 2.2 от 2.2 до 3.5 от 2.5 до 3.7 от 2.8 до 4 от 3.1 до 4.4 от 3 до 3.7

Светодиоды характеризуются и оптическими характеристиками: цвет свечения, яркость свечения, угол излучения.

Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры яркость может изменяться в 2-3 раза. Светодиоды обладают высоким быстродействием (наносекунды).

Правила подключения светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения. Плюс источника следует подключать к плюсу светодиода. Обратное допустимое напряжение светодиодов не велико и составляет несколько вольт, поэтому при неправильной полярности подключения они сгорают. Светодиодам важно не только правильная полярность подключения и нужное значение напряжения, но и оптимальная сила тока. Поэтому последовательно с ним всегда необходимо подключать резистор, который наклоняет прямую ветвь вах направо. Если это не сделать, то незначительное увеличение напряжения питания (сети) вызовет очень большое увеличение тока и светодиод сгорит. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс значительно сокращается.

Инфракрасные светодиоды используют для передачи информации на расстояние, например, для управления телевизором с пульта управления. Светодиоды видимого излучения используют для освещения и индикации различных состояний устройств.

Важными достоинствами светоизлучающих диодов является малая потребляемая мощность, высокая чистота цвета свечения, стабильность цвета свечения от времени наработки и температуры и конечно огромный срок службы- до 50 000 часов (лампы накаливания – 1000 часов, люминесцентные – 7000 часов).

4. Порядок выполнения работы

4.1. Экспериментальное определение направления проводимости диода и его вольтамперной характеристики (ВАХ).

Известно устройство Keithley 2400, которое автоматически определяет ВАХ диода. Оно состоит из генератора пилообразного напряжения, измерителя тока и работает совместно с интерфейсом LabTracer и компьютером. Результат измерения представлен в цифровом и графическом виде.

Настоящая работа выполняется на лабораторном модуле «полупроводниковые приборы», представленном на рис.1, для чего собрать схему по рис.5. На схеме обозначены внешние компоненты: диод VD типа 2Д102Б и мультиметры один с пределом измерения 200 мА другой – 2 В.

Рисунок 5. Определение прямой ветви ВАХ диода

Установить значение сопротивления R_н равным нулю для чего переместить его движок в крайнее верхнее положение. Сопротивлением RP1 установить напряжение U_вх равное нулю переместив его движок в крайнее нижнее положение. Подать на клеммы «+,-» напряжение 12 В. Увеличивая U_вх сопротивлением RP1 установить ток в цепи 50 мА затем снижая его до нуля определить по показаниям приборов пять точек прямой ветви ВАХ. Результаты занести в таблицу 4.

Таблица 4. Экспериментальные данные определения ВАХ диода

Прямая ветвь, рис.5	Обратная ветвь, рис.6
Прямой ток, Iпр,мА	Прямое напряжение, Uпр, В	Обратный ток, Iобр, мкА	Обратное напряжение, Uобр, В
		-	-
		-	-

Для экспериментального определения обратной ветви ВАХ собрать схему по рис. 6 на которой изменена полярность подключения диода, а резистор R_н остается закороченным. Переключить пределы измерения мультиметров установить на 2 мА и 20 В.

Рисунок 6. Определение обратной ветви ВАХ диода

Подать на клеммы «+,-» напряжение 12 В. Уменьшая сопротивлением RP1 напряжение U_вх до нуля определить по показаниям приборов три точки обратной ветви ВАХ. Результаты занести в таблицу 4.

4.2. Исследование стабилитрона

4.2.1. Собрать цепь по рисунку 7. Увеличивая резистором RP1 входное напряжение U_вх от 0 до 12 В, измерить ток 1ст и напряжение U_ст = U_н стабилитрона в нескольких точках с помощью мультиметров и результаты занести в табл.5. Построить график зависимости выходного напряжения U_CT от тока I_ст.

Рисунок 7.

Таблица 5.

Uст= Uн, В
1ст, мА

4.2.2. Собрать цепь по рис. 8. Установив величину входного напряжения 12 В, изменяя величину тока нагрузки с помощью потенциометра R_н, измерить величину выходного напряжения U_н и тока нагрузки I_н. Результаты занести в табл. 6. Построить график их зависимости.

Рисунок 8.

Таблица 6.

Iн, мА
Uн, В

4.3. Исследование влияния величины и полярности напряжения на светоизлучающем диоде на световую эмиссию.

Собрать схему по рис.9. В качестве измерительных приборов использовать мультиметры с пределами измерения 20 мА и 20 В. Увеличивая входное напряжение от 0, измерить вольтметром напряжение U_ВЫХ на диоде и миллиамперметром ток I_СД диода. Ток не должен превышать 20 мА. Установить при этом степень светоизлучения (отсутствует, слабое, среднее, сильное).

Затем в схеме рис.9 установить резистор RP1в крайнее нижнее положение, что обеспечит U_вх= 0,изменить полярность подключения светодиода на обратную: минус светодиода подключить к плюсу источника питания и медленно увеличивая напряжение U_вых до двух вольт зафиксировать степень светоизлучения. Результаты занести в табл. 7.

Рисунок 9.

Таблица 7.

UВЫХ,В	IСД, мА	Светоизлучение
Прямое включение (плюс на плюс)
		Отсутствует
		Слабое
		Среднее
		Сильное Сильное
Обратное включение (минус на плюс)
Не более двух вольт		Отсутствует

5. Содержание отчета. В отчете должно быть отражено:

а) наименование, цель работы и краткая теория, экспериментально проверяемая в работе;

б) электрические схемы проведенных экспериментов;

в) таблицы с результатами эксперимента;

г) экспериментальные характеристики в виде графиков полупроводниковых приборов;

д)выводы о свойствах исследованных полупроводниковых приборов.

6. Контрольные вопросы

1. Какова полярность напряжения в нормальном режиме работы диода, стабилитрона, стабистора и светодиода?

2. Какое подключение диода называют прямым а какое обратным?

3. Какими основными параметрами характеризуются диод и стабилитрон, и светодиод?

4. Что такое прямая и обратная ветвь ВАХ диода?

5. Какую роль играет балластное сопротивление в схеме параметрического стабилизатора?

6. Что такое коэффициент стабилизации, и каков его физический смысл?

7. Почему светодиод нельзя включать в обратном направлении?

8. Почему при питании светодиода от источника напряжения необходимо последовательно с ним включать резистор.

Работа № 3-2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

1. Цель работы

Ознакомиться с работой и основными характеристиками биполярного транзистора,

2. Описание лабораторного модуля

В лабораторной работе изучаются характеристики биполярного транзистора типа КТ815Б. Основные параметры транзистора приведены в табл. 3.2.1

Таблица 3.2.1

Тип транзистора	КТ815Б	КТ815Г
Вид проводимости	NPN	NPN
Максимально допустимый ток коллектора Iк мах, А	1,5	1,5
Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ макс, В
Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе Рк мах, Вт
Статический коэффициент передачи тока h21	>40	>30
Максимальное напряжение эмиттер-база (обратное) Uэ6 мах, В
Ток базы Iб= 0,05 мА
Конструкция корпуса- пластмасса с жесткими выводами	Габариты: 7,8*10,8*2,8 мм
Обозначение транзисторов в электрических схемах

Передняя панель лабораторного модуля представлена на рис. 3.2.1. На ней изображена мнемосхема исследуемых цепей, на которой установлены гнезда для подключения измерительных приборов и соединительных проводников.

Дата добавления: 2015-10-23