Исследование вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов

Цель работы

1 Изучить принципы функционирования полупроводниковых диодов и стабилитронов

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

 

1.1 Теоретические сведения

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним pn-переходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Их изготавливают на основе кремния или арсенида галлия. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение (УГО) и буквенное обозначение даны на рис.1.1. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода I _пр.max и максимально допустимое обратное напряжение U _обр.max.

 

Рис. 1.1 ВАХ и УГО диода

 

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Он имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Благодаря этому эффекту стабилитроны широко применяются в источниках питания. Вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2 ВАХ и УГО стабилитрона

 

В стабилитронах для создания pn-перехода, используются материалы с высокой концентрацией примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в pn-переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. При этом электрический пробой является обратимым (если конечно не наступит тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма: лавинный и туннельный пробои pn-перехода. Туннельный пробой pn-перехода в англоязычной литературе называется эффектом Зенера, поэтому стабилитрон имеет еще одно название - диод Зенера.

Основными характеристики стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации - значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации - величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации;

- дифференциальное сопротивление - величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот;

- максимально допустимая рассеиваемая мощность - максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность.

 

1.2 Проведение компьютерного эксперимента

1.2.1 Запустить программу MicroCap.

1.2.2 Составить схему для снятия вольт-амперной характеристики, согласно показанной на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема для снятия ВАХ диода

 

В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие диоды:

 

1 – 1N4001	4 – 1N4148
2 – 1N4007	5 – 1N4106
3 – 1N4008	6 – 1N4110

 

1.2.3 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить вольт-амперную характеристику диода.

1.2.3.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве переменной значение напряжения источника V1, закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 1.4. Установить автомасштабирование графиков.

 

Рис. 1.4 Окно установок анализа по постоянному току

 

1.2.3.2 Для того, чтобы отобразить вольт-амперную характеристику диода, необходимо задать в качестве выражения по оси Х – напряжение от источника V1 схемы V(D1), а в качестве выражения по оси Y – ток диода D1 схемы I(D1).

1.2.3.3 Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон значений переменной V1. Полученную вольт-амперную характеристику занести в отчет.

1.2.4 Составить схему для снятия вольт-амперной характеристики, согласно показанной на рис. 1.5.

В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие стабилитроны:

1 – BZV90C30	4 – BZX55C3V6
2 – BZV85-C33	5 – BZX55C3V9
3 – BZV85-C3V6	6 – BZX55C5V1

Рис. 1.5 Схема для снятия ВАХ стабилитрона

 

1.2.5 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить вольт-амперную характеристику стабилитрона.

1.2.5.1 Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве переменной значение напряжения источника V1, закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 1.4. Установить автомасштабирование графиков.

1.2.5.2 Для того, чтобы отобразить вольт-амперную характеристику стабилитрона, необходимо задать в качестве выражения по оси Х – напряжение от источника V1 схемы DCINPUT1, а в качестве выражения по оси Y – ток стабилитрона D1 схемы I(D1).

1.2.5.3 Запустить анализ, при необходимости подобрать масштаб отображения, изменяя диапазон значений переменной V1. Полученную вольт-амперную характеристику занести в отчет.

1.2.6 Определить статическое и динамическое сопротивление по вольтамперным характеристикам.

Чтобы определить статическое сопротивление в какой-либо точке ВАХ, например в точке А (рис. 1.6), необходимо найти напряжение и ток, соответствующие этой точке, и применить закон Ома:

.

 

Динамическое (дифференциальное) сопротивление находится как отношение приращений напряжения D U и тока D I (рис. 1.6):

Рис. 1.6 Определение статического и динамического сопротивлений по вольтамперной характеристике

1.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

- схема для снятия и ВАХ диода;

- схема для снятия и ВАХ стабилитрона;

- расчет статического и динамического сопротивления диода и стабилитрона;

- краткие выводы по результатам работы.

 

1.4 Контрольные вопросы

1 Почему прямая ветвь начинает хорошо проводить ток только по достижении некоторого напряжения (порядка 1В)?

2 Почему в обратном направлении диод практически не проводит ток?

3 Как отличаются друг от друга статическое и динамическое сопротивления прямой ветви диода?

4 Как соотносятся статическое и динамическое сопротивления прямой ветви диода?

5 Как соотносятся статические сопротивления прямой и обратной ветвей диода?

Лабораторная работа 2