Інтернет-каталог статей
9.1. Напівпровідникові діоди
Мета 1. Дослідження напруги та струму діода при прямому та зворотному зміщенні р-п переходу. 2. Побудова та дослідження вольтамперної характеристики (ВАХ) для напівпровідникового діода. 3. Дослідження опору діода при прямому та зворотному зміщенні за вольтамперною характеристикою. 4. Аналіз опору діода (пряме та зворотне зміщення) на змінному та постійному струмі. 5. Вимірювання напруги вигину вольтамперної характеристики.
Короткі відомості з теорії Однією з переваг Elecrtronics Workbench є можливість змоделювати ситуації, що виникають при різних рівнях приладової оснащеності дослідника, і освоїти методики вимірювання, що відповідають цим рівням. Розглянемо ці ситуації з прикладу вимірювання вольтамперної характеристики напівпровідникового діода. Початківець радіоаматор може мати лише один універсальний прилад - муль-тиметр (який ми звикли називати тестером), але й у разі можна зняти вольтам-перную характеристику (ВАХ) діода чи іншого нелінійного двополюсника. Найпростіше в цьому випадку вимірювати напругу на діоді у схемі рис. 9.1 приєднуючи до діода через резистор джерела напруги різної величини. Струм діода при цьому можна обчислювати з виразу: 1пр = (Е - Unp) / R, (9.1) де 1пр - Струм діода в прямому напрямку, Е - напруга джерела живлення, Unp - напруга на діоді в прямому напрямку. Змінивши полярність включення діода у тій самій схемі рис. 9.1 можна зняти ВАХ діода за тією ж методикою і в зворотному напрямку 1ов = (Е - Uоб)/R, (9.2) де Iов - струм діода у зворотному напрямку, UOB - напруга на діоді у зворотному напрямку.
Точність при таких вимірах залишає бажати кращого через розкид опорів урезисторів одного номіналу. І якщо Ви хочете отримати точнішу характеристику, використовуючи лише один мультиметр, необхідно спочатку виміряти напругу в схемі рис. 9.1, а потім струм у схемі рис. 9.2. При цьому можна користуватися, як і раніше, лише мультиметром, підключаючи його то як вольтметр, то як амперметр. Набагато швидше можна виконати цю роботу, якщо у Вас є вольтметр і амперметр. Тоді включивши їх за схемою рис. 9.3 можна відразу бачити струм і напруга на табло цих приладів. Вольтамперна характеристика (ВАХ) може бути отримана шляхом вимірювання напруги на діоді при протіканні різних струмів за рахунок зміни напруги джерела живлення Vs. І нарешті, найшвидше і зручніше можна досліджувати ВАХ, безпосередньо спостерігаючи її на екрані осцилографа (рис. 9.4). При такому підключенні координата точки горизонтальної осі осцилографа буде пропорційна напрузі, а по вертикальній - струму через діод. Оскільки напруга у вольтах на резисторі 1 Ом чисельно дорівнює струму через діод в амперах (I=U/R=U/1=U), вертикальної осі можна безпосередньо зчитувати значення струму. Якщо на осцилографі вибраний режим В/А, то величина, пропорційна струму через діод (канал В), відкладатиметься по вертикальній осі, а напруга (канал А) - по горизонтальній. Це дозволить отримати вольтамперну характеристику безпосередньо на екрані осцилографа.
При отриманні ВАХ діода за допомогою осцилографа на канал А замість точної напруги на діоді подається сума напруги діода та напруги на резисторі 1 Ом, Помилка через це буде мала, тому що падіння напруги на резисторі буде значно менше, ніж напруга на діоді. Для точного вимірювання напруги можна вимірювати струм за допомогою датчика струму (див.Додаток 1). Через нелінійність діода його не можна характеризувати величиною опору, як лінійний резистор. Відношення напруги на діоді до струму через нього U/I, що називається статичним опором, залежить від величини струму. У ряді
застосування на істотну постійну складову струму діода накладається невелика змінна складова (зазвичай при цьому говорять, що елемент працює в режимі малих сигналів). У цьому випадку інтерес представляє диференціальний (або динамічний) опір dU/dI. Розмір динамічного опору залежить від постійної складової струму діода, що визначає робочу точку на характеристиці.
Порядок проведення експериментів
Експеримент 1. Вимірювання напруги та обчислення струму через діод. Відкрийте файл с9_011 (рис. 9.1) та увімкніть схему. Мультиметр покаже напругу на діоді Unp під час прямого зміщення. Переверніть діод і знову запустіть схему. Тепер мультиметр покаже напругу на діоді Uоб при зворотному зміщенні. Запишіть показання у розділі "Результати експериментів". Обчисліть струм діода при прямому 1пр і зворотному 1в зміщенні згідно з формулами (9.1) і (9.2).
Експеримент 2. Вимірювання струму. Відкрийте файл с9_012 (рис. 9.2) та увімкніть схему. Мультиметр покаже струм діода 1пр. при прямому зміщенні. Переверніть діод і знову запустіть схему. Тепер мультиметр покаже струм 1ов діода при зворотному зміщенні. Запишіть показання у розділі "Результати експериментів".
Експеримент 3. Вимірювання статичного опору діода. Виміряйте опір діода у прямому та зворотному підключенні, використовуючи Мультиметр у режимі омметра. Мінімальні значення опору відповідають прямому підключенню. Показання прямого опору різні різних шкал омметра. Чому?
Експеримент 4. Зняття вольтамперної характеристики діода. а). Пряма гілка ВАХ. Витріть файл с9_013 (рис. 9.3). Увімкніть схему. Послідовно встановлюючи значення ЕРС джерела рівними 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, О В запишіть значення напруги Unp і струму 1пр діода в таблицю а) розділу "Результати експериментів". б). Зворотня гілка ВАХ. Переверніть діод. Послідовно встановлюючи значення ЕРС джерела рівними О, 5, 10, 15 В запишіть значення струму 1ов і напруги UQB в таблицю б) розділу "Результати експериментів". в). За отриманими даними побудуйте графіки 1пр (Unp) та IOB (Uos). г). Побудуйте дотичну до графіка прямої гілки ВАХ при 1пр = 4 мА та оцініть диференціальний опір діода за нахилом дотичним. Виконайте ту ж процедуру для 1пр = 0.4 мА і 1пр = 0.2 мА. Відповіді запишіть у розділі "Результати експериментів". д). Аналогічно пункту г) оцініть диференціальний опір діода при зворотній напрузі 5 і запишіть експериментальні дані в розділ "Результати експериментів". е). Обчисліть опір діода на постійному струмі 1пр = 4 мА за формулою Rcr= Unp/Inp та занесіть результат у розділ "Результати експериментів". ж). Визначте напругу вигину. Результати занесіть до розділу "Результати експериментів". Напруга вигину визначається з вольтамперної характеристики діода, зміщеного в прямому напрямку, для точки, де характеристика зазнає різкого зламу.
Експеримент 5. Отримання ВАХ на екрані осцилографа. Відкрийте файл с9_014. (Рис. 9.4). Увімкніть схему. На ВАХ, що з'явилася на екрані осцилографа, горизонтальною осі зчитується напруга на діоді в мілівольтах (канал А), а по вертикальній - струм в міліамперах (канал В, 1 мВ відповідає 1 мА). Зверніть увагу на вигин ВАХ. Виміряйте та запишіть у розділ"Результати експериментів" величину напруги вигину.
Результати експериментів Експеримент 1. Вимірювання напруги та обчислення струму через діод. Виміряйте та запишіть напруги на діоді:
Експеримент 2. Вимірювання струму. Виміряйте та запишіть струм при прямому та зворотному зміщенні
Експеримент 3. Вимірювання статичного опору діода.
Експеримент 4. Зняття вольтамперної характеристики діода. Обчисліть та запишіть струми та напруги.