Лабораторная работа № 1. Определение свойств, параметров, вольт - амперных характеристик выпрямительных диодов и степени их соответствия техническим условиям

1 Цель работы

Цель работы - достичь понимания свойств и характеристик полупроводниковых выпрямительных диодов, приобрести навыки экспериментального определения их вольтамперных характеристик (ВАХ) и практического определения соответствия их параметров техническим условиям или справочным данным.

2 Задачи работы

2.1 Изучить теоретический материал по выпрямительным диодам.

2.2 Выполнить экспериментальную часть работы в соответствии с программой и обработать результаты экспериментов.

2.3. По результатам проведенных работ оформить отчет и защитить его.

3Программа работ

3.1 Ознакомиться с методическими рекомендациями по выполнению данной работы.

3.2 Изучить теоретические сведения по электрофизическим явлениях в электронно-дырочных переходах, свойствам и параметрам полупроводниковых выпрямительных диодов по конспекту лекций по дисциплине "Твердотельная электроника" и литературе 1 - 4.

3.3 Подготовить формуляр отчета по лабораторной работе.

3.4 Ознакомиться с устройством лабораторного стенда и подготовить его к работе.

3.5 Снять прямые ветви ВАХ кремниевого и германиевого диодов.

3.6 Снять обратные ветви ВАХ этих же диодов.

3.7 Построить графики полученных ВАХ.

3.8 Определить величины порогового напряжения, напряжения пробоя и обратного тока.

3.9 Рассчитать по ВАХ зависимости статического R_c и динамического R_д сопротивлений от тока диода.

3.10 Определить по справочнику параметры номинального режима диодов и для номинального тока построить схемы замещения.

3.11 Сравнить параметры исследованных диодов с техническими условиями или со справочными данными.

3.12 Для цепи, состоящей из последовательно соединенных источника напряжения с величиной электродвижущей силы (ЭДС) равной Е_о, нагрузочного резистора R_н = 1 кОм и диода, рассчитать изменение коэффициента полезного действия (КПД) такой цепи при изменении Е в диапазоне ±10% от величины Е₀. Ток диода при Е = Е₀ принять равным 2 мА. Сравнить полученные зависимости для германиевого и кремниевого диодов и объяснить их.

3.13 Для цепи по п. 3.12 при Е = Е_о рассчитать и построить графики зависимостей величины цепи от изменения сопротивления резистора R в диапазоне от 500 Ом до 1,5 кОм.

3.14 Закончить оформление отчета и сделать выводы о степени соответствия исследованных диодов техническим условиям, сравнить свойства германиевого и кремниевого диодов и объяснить их отличия. Справочные данные на германиевые и кремниевые диоды приведены в приложении.

3.15 Защитить отчет.

4 Методические рекомендации.

4.1 При изучении теоретического материала обратить внимание на свойства полупроводников и электронно-дырочных переходов, связанных с различной шириной запрещенной зоны у разных полупроводниковых материалов. Повторить графоаналитические методы расчета режимов нелинейных цепей, а также условные обозначения элементов в электрических цепях и их буквенные обозначения по действующим ГОСТам.

4.2 Работа выполняется на модернизированном лабораторном стенде 87Л-01 "ЛУЧ". При выполнении экспериментальной части лабораторной работы необходимо использовать сменный планшет №1. Рекомендуемые приборы: 1) генератор тока (ГТ 0-10 мА) и генератор напряжения (ГН2 0-15 В и ГН3 30-100 В), находящиеся на нижней панели стенда, смотри описание стенда, часть 1), 2) мультиметры, находящиеся на правой и левой панелях стенда, 3)кремниевый или германиевый диод по указанию преподавателя, 5)соединительные провода.

4.3 Прямая ветвь ВАХ снимается по схеме, приведенной на левой части планшета (рисунок 1), обратная ветвь - по схеме на правой части. Для точного получения результатов при малых значениях измеряемых величин необходимо устанавливать переключатели приборов на как можно меньшие диапазоны измерения, не допуская, тем не менее, зашкаливания приборов.

Рисунок 1 – Схема стенда для снятия вольт – амперных характеристик диода в прямом включении

4.4 При снятии прямых ветвей ВАХ необходимо обратить внимание на полярности источников и приборов, указанные на левой схеме планшета и собрать схему в строгом соответствии с этими полярностями. Далее надо поставить переключатель одного из мультиметров в положение 2 мА, а второго - 2 В. Установить рукоятки ГТ "ГРУБО" и "ТОЧНО" в крайнее левое положение.

После проверки собранной схемы преподавателем или лаборантом включить стенд, поставив включатель питания «Сеть» в положение "I" (включено). При этом должна загореться подсветка включателя. Вращая рукоятки "ГРУБО" и "ТОЧНО" генератора тока, снять показания мультиметров в 10 -12 точках. Максимальное значение задаваемого тока - 10 мА - превышаться не должно. Затем отключить питание стенда, полученные значения токов и напряжений занести в таблицу. После замены диода указанные действия повторить.

4.5 При снятии обратных ветвей ВАХ необходимо собрать схему на правой части планшета стенда, соблюдая указанные на ней полярности приборов и источников (см. рисунок 2). Поставить переключатель одного из мультиметров в положение 2 мА, переключатель второго в положение 200 В. Установить рукоятки ГН3 "ГРУБО" в крайнее левое положение.

4.6 После проверки собранной схемы включить стенд, поставив включатель питания «Сеть» в положение "I". При этом должна загореться подсветка включателя. Вращая рукоятку генератора напряжения "ГН 30-100 В", снять показания приборов в 10-12 точках. Максимальное задаваемое напряжение - 100 В. Отключить стенд. Занести в таблицу полученные значения токов и напряжений. Построить в первом приближении черновые графики полученных ВАХ и показать их преподавателю. Разобрать схему. Сдать соединительные провода и сменные элементы лаборанту.

Рисунок 2 - Схема стенда для снятия вольт – амперных характеристик диода в обратном включении

4.7 Построить точные графики полученных ВАХ. Поскольку масштабы токов и напряжений на осях графиков прямых и обратных ветвей ВАХ различны, то допускается прямые и обратные ветви ВАХ строить на отдельных графиках.

4.8 При оформлении отчета руководствоваться требованиями к оформлению отчетов по лабораторным работам кафедры «Промышленная электроника».

5 Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие разделы:

цель и программа работ,

описание методики, принципиальной электрической схемы для определения ВАХ диодов с приведением всех используемых приборов, разъемов и их буквенных обозначений, а также таблиц со значениями экспериментальных данных.

графики ВАХ диодов с определенными графически пороговыми напряжениями и напряжениями пробоя,

расчет зависимостей Rc и Rд от тока диодов, графики этих зависимостей и схемы замещения диодов для номинального тока,

справочные данные исследуемых диодов и их эскизы с указанием названия электродов,

расчет КПД цепи по п.п.3.11 и 3.12,

выводы по работе,

список литературы, использованной при проведении работы.

6 Вопросы для самоконтроля

6.1 Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы.

В чем заключается цель лабораторной работы?

Какие приборы используются при выполнении лабораторной работы?

Как определяется прямая ветвь ВАХ диода?

Как определяется обратная ветвь ВАХ диода?

Какие пределы измерения выставляются на приборах при определении прямой и обратной ветвей ВАХ диода?

Какой максимальный ток выставляется при определении прямой ветви ВАХ диодов и какое максимальное напряжение выставляется при определении обратной ветви ВАХ диодов?

6.2 Вопросы для защиты отчета по лабораторной работе

В чем заключается принцип действия p-n-перехода и особенности физических процессов в нем при различных смещениях?

Какова причина возникновения обратного тока p-n-перехода и диода на его основе?

Чем различаются ВАХ германиевого и кремниевого диодов и почему?

Чем можно объяснить различия ВАХ идеализированного и реального диодов?

Как и почему изменяются характеристические сопротивления диодов?

Каковы области применения диодов и технологии их изготовления?

В чем заключаются методики проведения экспериментальной и расчетной частей лабораторной работы?

Какими параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

Как диоды маркируются и обозначаются в схемах электрических цепей?

Каковы схемы замещения диодов?

7 Приложение