НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ 1. ВСТУП Випрямляючий діод Випрямляючим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним pn-переходом, який має односторонню провідність. Структура напівпровідникових кристалів для різних типів діодів зображена на рисунку 1. На схемах діод позначається так, як показано на рисунку 2. Емітер База N-тип Емітер База Р-тип N-тип Точковий діод Площинний діод Рисунок 1 + Емітер - База + Пряме включення Зворотне включення Рисунок 2 Приблизний вид вольт-амперної характеристики випрямляючого діода (тобто залежність струму, що протікає через діод, від напруги на ньому) зображений на рисунку 3. Іпр Uзв Uпр Ізв Рисунок 3 Основні параметрі випрямляючого діода: величина прямого струму (максимальна і номінальна) величина зворотного струму максимальна зворотна напруга опір постійному струму (визначається для прямого і для зворотного включень діода) R0 (Ua, Ia – напруга на діоді і струм через нього в робочому режимі) опір для змінного струму (для прямого і для зворотного включень) ri Ua , Ia du a u a , di a i a (dua, dia – змінення напруги і струму в робочій точці) крутизна прямої гілки ВАХ si dia i мА a . dua ua В 2 Стабілітрон Стабілітроном називають напівпровідниковий прилад, який використовується для підтримування постійної напруги на ділянці електричного ланцюга при значній зміні величини струму, що протікає по цій ділянці. Цією властивістю стабілітрон завдячує формі Uзв Uст зворотної гілки своєї вольт-амперної 0 характеристики (рисунок 4). Дійсно, на Iст.мін a ділянці характеристики a-b величина зворотної напруги практично не змінюється, а величина струму, який протікає через стабілітрон, змінюється в декілька разів. Цю ділянку ВАХ називають ділянкою стабілізації. Фізичним механізмом значного підвищення величини струму при майже незмінній напрузі є явище лавинного Iст.макс b електричного пробою. Він заключається в Ізв лавиноподібному розмноженні основних Рисунок 4 носіїв заряду в кристалі при певній напрузі на ньому. При цій напрузі значно зростає амплітуда коливань кристалічної решітки напівпровідника. Енергія цих коливань передається валентним електронам, в результаті чого вони інтенсивно переходять з валентної зони в зону провідності. Як наслідок цього, опір стабілітрона зменшується, а струм через нього різко зростає. Прямі гілки вольт-амперних характеристик стабілітрона і випрямляючого діода + подібні. Існують також стабілітрони з вольтЗвичайний стабілітрон амперною характеристикою симетричною відносно початку координат. Схемне позначення стабілітронів наведено на Симетричний стабілітрон рисунку 5. Звичайний стабілітрон включається в зворотному напрямку; напрямок Рисунок 5 включення симетричного стабілітрону не має значення. До основних параметрів стабілітрона можна віднести такі: напруга стабілізації, Uст мінімальний і максимальний струми стабілізації, Іст.мін і Іст.макс 3 динамічний опір rd=dU/dI (на ділянці a-b вольт-амперної характеристики) температурний коефіцієнт нестабільності 1 U ст ТКН 100%. T U ст 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА Мета роботи Оволодіння методикою визначення вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів і стабілітронів за допомогою програми Multisim 11; визначеня за вольт-амперними характеристиками основних параметрів напвпровідникових приладів. Порядок виконання роботи 1. Визначити пряму гілку вольт-амперної характеристики випрямляючого діода 1ВН62. 1.1. Зібрати на робочому столі Multisim 11 схему, показану на рисунку 6. На схемі також наведено параметри кінцевих точок хаактеристики. Визначення прямої гілки ВАХ випрямляючого діода 1ВН62 mA + A - R - 1% I=52mA U=0,95 B R - 100% I= 2 mA U=0,61 B 0.000 R 200Ω 1% Key=A V E + 1V - 0.000 V VD 1BH62 Рисунок 6 1.2. Установити прирощення процентної величини опору потенціометра R в 1%. 1.3. Установити процентне значення опору потенціометра R в 1%. (Для збільшення процентного значення опору натиснути керуючу клавішу А; для зменшення – використати комбінацію Shift+A). 4 1.4. Ввімкнути моделювання. Виміряні величини напруги на діоді і струму, що протікає через діод, занести в таблицю 1. Таблиця 1. Діод: пряме включення. Uпрям, В Іпрям, мА Кількість стовбчиків таблиці визначається числом точок характеристики, які ви вимірюєте. Чим більше точок, тим точніше знята характеристика. Рекомендується визначити не менше 10 точок. 1.5. Не вимикаючи моделювання збільшити процент опору потенціометра і нові дані занести в таблицю. 1.6. Останні дані величин напруги на діоді і струму діода одержати при величині опору потенціометра 100%. 1.7. Вимкнути процес моделювання. 2. Визначити зворотну гілку вольт-амперної характеристики випрямляючого діода 1ВН62. Для цього: 2.1. Зібрати на робочому столі Multisim 11 схему, показану на рисунку 7. Визначення зворотної гілки ВАХ випрямляючого діода 1ВН62 A + A U=100B I=14 mkA U=100 mB I=3,7 mkA - 0.000 V E VD 1BH62 + 0.000 100mV V - Рисунок 7 2.2. Змінюючи напругу джерела живлення Е згідно таблиці 2 визначити зворотний струм діода. Дані вимірювань занести в цю ж таблицю. Uзв,В Ізв,мкА Таблиця 2. Діод: зворотне включення. 0,1 0,5 1,0 5,0 10 20 40 60 5 80 100 3. Визначити пряму гілку вольт-амперної характеристики стабілітрона 1N4464. 3.1. Зібрати на робочому столі схему, зображену на рисунку 8. Визначення прямої гілки ВАХ стабілітрона 1N4464 A + A R-100% I=0,61mA U=0,7 B R- 0% I=22 mA U=1,0 B - 0.000 R 500Ω 100% Key=A V + E 1V 0.000 V VD 1N4464 - Рисунок 8 3.2. Методика визначення прямої гілки ВАХ стабілітрона така ж, як і для випрямляючого діода (пункти 1.2 – 1.7). Одержані дані занести в таблицю 3. Таблиця 3. Стабілітрон: пряме включення. Uпрям, В Іпрям, мА 4. Визначити зворотну гілку вольт-амперної характеристики стабілітрона 1N4464. (Треба зауважити наступне. В цій роботі буде визначено тільки робочу ділянку ВАХ (ділянка a – b, див. рисунок 4). Справа в тому, що струм на ділянці 0 – а становить приблизно 1 мкА, і ця ділянка не має ніякого практичного значення.) 4.1. Зібрати схему, показану на рисунку 9. Ввімкнути моделювання. 4.2. За допомогою керувальної клавіші А установити величину процентного опору потенціоментра R такої величини, щоб струм в ланцюгу становив близько 50 мА. Точні значення струму і напруги стабілітрона занести в таблицю 4. 4.3. Не вимикаючи моделювання, керувальною клавішею А збільшувати опір резистора R до такої величини, щоб струм в ланцюгу становив величини, приблизно рівні значенням таблиці 4. Одержані при цьому величини напруги занести в таблицю. 6 Таблиця 4. Стабілітрон: зворотне включення. Uзв,В Ізв,мА 50 40 35 30 25 20 Визначення зворотної гілки ВАХ стабілітрона 1N4464 A - + A 0.000 15 10 5 Робоча ділянка ВАХ Початкова точка: R-8%; I=51 mA; U=9,2 B Кінцева точка: R-100%; I=5,1 mA; U=9,0 B R 200Ω 0% Key=A V + 0.000 V VD 1N4464 - E 10 V Рисунок 9 4.4. Остання точка характеристики вимірюється при максимальному значенні опору потенціометра (100%). Обробка даних 1. За одержаними даними (таблиці 1-4) побудувати графіки вольтамперних характеристик випрямляючого діода і стабілітрона. Вигляд графіків повинен відповідати рисункам 3,4. 2. За одержаними вольт-амперними характеристиками визначити основні параметри досліджених приладів: опори з постійного і змінного струмів при прямому і зворотному включеннях, крутизну прямих гілок ВАХ. 3. Знайти описи досліджених приладів в Інтернеті і порівняти наведені в них параметри з розрахованими. 7 Для заміток. 8