Краткие теоретические сведения. Исследование характеристик полупроводниковых диодов

Лабораторная работа №2.

Исследование характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы:

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном сме- щении p-n перехода.

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) по- лупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении

по вольтамперной характеристике.

4. Построение вольтфарадной характеристики варикапа.

Краткие теоретические сведения

Для исследования напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода достаточно иметь универсальный прибор – мульти- метр. С помощью этого прибора можно снять вольтамперную характеристику

(ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме, показанной на рисунке 2.1,

подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной вели- чины.

Ток диода при этом можно вычислить из выражения:

Iпр = (Е - Uпp)/R (2.1)

где Iпр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Uпp - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив поляр- ность включения диода в той же схеме рисунок 2.1, можно снять ВАХ диода

по той же методике и в обратном направлении

Iоб = (Е - Uоб)/R (2.2)

где Iоб - ток диода в обратном направлении, Uоб - напряжение на диоде

в обратном направлении. Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. На ри-

сунке 2.2 показана схема измерения тока диода. Для получения более точной характеристики при использовании только одного мультиметра, необходимо сначала измерить напряжение в схеме на рисунке 2.1, а затем ток в схеме на рисунке 2.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультимет- ром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если использовать и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме, показанной на рисунке

2.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов.

Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения на- пряжения источника питания Vs. Схема для исследования ВАХ диода с помо- щью осциллографа показана на рисунке 2.4.

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осцил- лографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе R2 численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/I=U), по вертикальной оси можно непосредст- венно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осцилло- графа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения

на резисторе R2. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Из-за нели-

нейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как ли- нейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, назы-

ваемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде приме- нений на постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая пе- ременная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в ре- жиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное

(или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротив-

ления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабо- чую точку на характеристике.

Построение вольтфарадной характеристики варикапа. Полупровод- никовый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости Сбар от значения приложенного обратного напряжения на-

зывается варикапом. Это позволяет применить варикап в качестве элемента с

электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа является вольтфарадная характери- стика - зависимость барьерной емкости от значения приложенного обратного напряжения. Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная харак- теристика приведены на рисунке 2.5.

Cбар

С0

Uобр

0 Uпр

Рисунок 2.5 - Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная ха-

рактеристика

В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости может изменяться от единиц до сотен пикофарад. Основными параметрами варикапа являются: Св – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; Кс – коэффициент перекрытия по емкости, используе- мый для оценки зависимости Св = f (Uобр) и равный отношению емкостей ва- рикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (Кс = 2 - 20). Ва- рикапы применяются в качестве конденсатора с управляемой емкостью. Их де- лят на построечные и умножительные, или варакторы. Подстроечные варикапы используют для изменения резонансной частоты колебательных систем.

Для получения вольтфарадной характеристики можно использовать схе- му емкостного делителя с диодом, показанную на рисунок 2.6.