Как снять по точкам вах диода

9

СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Снятие ВАХ диода при помощи вольтметра и амперметра

На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющая исследовать ВАХ p—n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д. Показанное на схеме включение реостатов и позволяет осуществлять плавную регулировку напряжения на электродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ К предназначен для изменения полярности питающего цепь напряжения. Так как диод представляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует полное падение напряжения (не только на запирающем слое), то выражение (2), вообще говоря, следует записывать так:

где — напряжение на электродах диода, — падение напряжения на слое полупроводника сопротивлением R. Согласно (2) и (3) при (в прямом направлении) и при больших значениях величина , и формулы могут быть переписаны в виде:

то есть с ростом напряжения ток возрастает экспоненциально.

При ещё большем напряжении, когда падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать:

Дифференцируя выражение (3) по и исключая из производной напряжение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линейной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к постоянной величине:

Если сопротивление запирающего слоя много больше сопротивления полупроводника, то, пренебрегая величиной и логарифмируя выражение (2), получаем линеаризованную ВАХ диода:

которая позволяет экспериментально определить величину коэффициента (ток насыщения при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3).

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4. Реостаты и предназначены для плавной регулировки напряжения на электродах диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности напряжения. Снятие ВАХ рекомендуется начинать с максимальной величины обратного тока (правое по схеме положение ключа К) в сторону уменьшения. По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимость вплоть до величины .

В ходе работы при пользовании ключом следует помнить о соблюдении полярности измерительных приборов.

Снятие ВАХ диода при помощи осциллографа

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Питание цепи осуществляется от ЛАТРа через понижающий трансформатор Тр. На электродах диода действует переменное напряжение, которое подаётся на горизонтально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение с резистора R. Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, то вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет измерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах диода (см. лабораторную работу «Изучение электронного осциллографа»).

2. Экспериментальное исследование выпрямительного диода и диода Шоттки:

а) собрать схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе (рис.3). Соединить перемычкой гнезда X1 — Х6. Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе «х1000» (максимальный ток 100 мА) между гнездами Х1 — XI0. Для измерения анодного напряжения между гнездами ХЗ, Х14 включить мультиметр на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В». Переключить тумблер SA1 в положение «+»;

Рис.3. Схема для исследования выпрямительного диода и диода

Шоттки на постоянном токе.

б) снять по точкам прямую ветвь вольтамперной характеристики выпрямительного диода и диода Шоттки на постоянном токе. Для этого потенциометром RP1 изменять напряжение на входе, фиксируя заданные значения анодного ток I_а и анодное напряжение U_a на диоде VD1. ВАХ снимать сначала для прямой ветви выпрямительного диода (ВД), а затем для диода Шоттки (ДШ), подключив предварительно вместо VD1 диод VD2 перемычкой X3-X7. Результаты измерений занести в Таблицу 1.

Прямая ветвь вах диодов

в) снять по точкам обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода и диода Шоттки на постоянном токе. Для этого переключателем SA1 изменить полярность напряжения питания, а также полярности включения миллиамперметра и вольтметра и их пределы измерения.

Примечание: Для контроля малого обратного тока вместо миллиамперметра mA использовать мультимметр V1. Для чего измерительный щуп мультимметра из гнезда «V» переключить в гнездо «mA» и установить предел измерения «400 mkA».

Затем потенциометром RP1 изменять напряжение на входе схемы, фиксируя при этом анодное напряжение U_a на диоде VD1(VD2) и анодный ток I_а.

ВАХ снимать сначала для выпрямительного диода (ВД), а затем для диода Шоттки (ДШ), подключив предварительно вместо VD1 диод VD2 перемычкой X3-X7. Результаты измерений занести в Таблицу 2.

Обратная ветвь вах диодов Таблица 2

—Uобр [В]

—I₀ [мкА] (ВД)

—I₀[мкА] (ДШ)

После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

г) по построенной ВАХ определить основные параметры диода: пороговое напряжение U₀ ; прямое падение напряжение U_{a пр.} при максимальном анодном токе I _{a max}; дифференциальное сопротивление r_{Д =} ∆ U_пр. /∆ I _a (приращения ∆ U_пр брать минимальными вблизи максимальных значений тока I _{a max}); обратный ток I_{о6р =} I_о.

д) собрать схему для исследования выпрямительного диода на переменном токе с целью получения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 3). Вход CH2(Y) осциллографа подключить к шунту R_ш (гнездо XI3), а корпус осциллографа «» соединить

с гнездом X12. Вход СН1(Х) осциллографа подключить к гнезду ХЗ. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение X/Y. Подать питание – переключатель

Рис. 3. Схема для исследования выпрямительного диода на переменном токе

SA1 установить в положение «

точку на экране осциллографа поместить в

начало координат. Вращать ручку потенциометра

RP1 до положения «5».

С экрана осциллографа зарисовать ВАХ диода и по шкале развёрток осциллографа определить масштабы по току и напряжению. После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

е) определить по осциллограмме параметры диода: пороговое напряжение U₀, дифференциальное сопротивление r_д, обратный ток I_обр , прямое падение напряжение

U_{a пр.} при максимальном анодном токе I_{a max.} Сравнить с параметрами, определенными в п. 2 г, объяснить причину различий.

Как снять по точкам вах диода

2.13. Получение вольт-амперной характеристики двухполюсника

(резистора, диода, стабилитрона) на экране осциллографа

Напомним, что вольт-амперной характеристикой называют зависимость силы протекающего через элемент тока от приложенного к нему напряжения. При этом напряжение должно изменяться по величине и полярности.

Для получения вольт-амперной характеристики (ВАХ) резистора на экране осциллографа необходимо, чтобы отклонение луча по оси “У” осциллографа было пропорционально току, протекающему через резистор, а по оси “Х” — напряжению на его концах. Отклонение луча по оси “У” осциллографа проградуировано в вольтах на деление. Если параллельно входу “У” подключить известный резистор небольшого сопротивления, то, зная падение напряжения на этом резисторе, можно определить протекающий через него ток. Поэтому можно проградуировать вход “У” в миллиамперах на деление, если напряжение снимается с эталонного резистора R_эт (резистора известного сопротивления).

Пусть нам необходимо получить по оси У коэффициент отклонения 1мА/дел. Рассчитаем, чему должно быть равно сопротивление эталонного резистора. В осциллографе необходимо выбрать наименьший коэффициент отклонения в В/дел по оси У. Это следует из общего требования к приборам для измерения тока (падение напряжения на амперметре должно быть как можно меньше, чтобы не изменять режим работы исследуемой цепи). Для осциллографа ОМЛ-3М минимальный коэффициент отклонения 0,01 В/дел. Из закона Ома для участка цепи следует, что R_эт равно частному от деления коэффициен та отклонения по напряжению на коэффициент отклонения по току.

Для наблюдения вольт-амперной характеристики резистора на экране осциллографа последовательно с исследуемым резистором подключают эталонный резистор R_эт (резистор известного сопротивления). Возможны две схемы подключения (рис. 2.22 а, 2.22 б). Рассмотрим схему рисунка 2.21а. В ней корпус осциллографа подключен к точке соединения резисторов R_эт и R. Напряжение с резистора R_эт подается на вход “У” осциллографа, а напряжение с исследуемого резистора R подается на вход “Х” осциллографа. В схеме рисунка 2.21б корпус осциллографа подключается к нижнему (по схеме) выводу резистора R_эт, вход “У” — к точке соединения эталонного и исследуемого резисторов, а вход “Х” — к верхнему (по схеме) выводу исследуемого резистора.

ВАХ резистора представляет собой прямую линию, которая на экране осциллографа может располагаться в любом из квадрантов в зависимости от схемы подключения осциллографа и от того, куда отклоняется электронный луч осциллографа при подаче на его вход положительного потенциала относительно корпуса. Пусть, например, в осциллографе при подаче на входы “У” и “Х” положительного потенциала относительно корпуса смещение луча происходит вверх и вправо (чаще всего в осциллографах реализован именно такой вариант). Тогда ВАХ резистора, получаемая с помощью схемы рис. 2.21а, будет расположена во втором и четвертом квадрантах.

Если в осциллографе не предусмотрена регулировка коэффициента отклонения по оси Х, то на вход Х ставят переменный резистор, включая его по схеме потенциометра (рис. 2.25).

Теперь рассмотрим получение вольт-амперной характеристики диода – сначала по точкам, а затем – на экране осциллографа. При снятии ВАХ диода по точкам необходимо учитывать способы подключения амперметра и вольтметра в зависимости от сопротивления участка цепи, на котором измеряют ток и напряжение. При снятии по точкам прямой ветви вольт-амперной

характе ристики диода измерительные приборы подключают по схеме рисунка 2.22а, так как внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше прямого сопротивления диода. Для снятия начального участка ВАХ диода необходимо использовать вольтметр с большим внутренним сопротивлением (более 1 МОм), так как в противном случае погрешность измерений оказывается весьма существенной за счет больших токов, протекающих через вольтметр (сравнимых с токами, протекающими через диод).

При снятии по точкам обратной ветви вольт-амперной характеристики диода измерительные приборы подключают по схеме рисунка 2.22 б. Так как внутреннее сопротивление амперметра значительно меньше обратного сопротивления диода и напряжение U_в, измеряемое вольтметром, будет примерно равно напряжению на диоде U_д. В выражении U_в=U_д+U_а можно пренебречь величиной напряжения на миллиамперметре U_а по сравнению с величиной U_д.

Схему рисунка 2.22б можно использовать и для снятия прямой ветви ВАХ диода, если внутреннее сопротивление миллиамперметра будет существенно меньше прямого сопротивления диода. Схему рисунка 2.22а можно использовать и для снятия обратной ветви ВАХ диода, если внутреннее сопротивление вольтметра будет существенно больше обратного сопротивления диода. В этом случае изменить схему рисунка 2.22б для снятия прямой ветви, а схему рисунка 2.22а для снятия обратной ветви ВАХ диода можно двумя способами: либо изменяя полярность источника питания, либо изменяя полярность подключения исследуемого диода.

Преобразуем рассмотренные схемы в схемы для получения ВАХ диода на осциллографе. Роль миллиамперметра будет выполнять вход Y с эталонным резистором, а роль вольтметра – вход X . На экране осциллографа обычно наблюдают одновременно прямую и обратную ветви ВАХ диода, используя для этого переменное напряжение. Соответственно получаются 4 варианта подключения приборов для наблюдения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 2.23).

Осциллограммы, получающиеся для каждого варианта подключения диода и эталонного резистора, приведены на рисунке 2.24. Эти осциллограммы соответствуют стандартному подключению каналов X и Y осциллографа, когда при подаче относительно корпуса положительного потенциала на вход X осциллографа отклонение луча происходит вправо, а при подаче положительного потенциала на вход Y луч отклоняется вверх.

Рассмотрим особенности наблюдения ВАХ полупроводникового стабилитрона на экране осциллографа ОМЛ-3М. Стабилитрон – это специальный полупроводниковый диод, в котором используется обратная ветвь характеристики в области лавинного пробоя. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона – это зависимость тока, протекающего через обратно смещенный p — n переход стабилитрона, от приложенного к нему напряжения. Напряжение стабилизации стабилитронов равно единицы и десятки вольт (более подробные сведения о стабилитронах приведены в главе 3). Коэффициент отклонения по оси Х у осциллографа ОМЛ-3М не регулируется и равен примерно 0,35 В/дел. По горизонтали на экране осциллографа 8 делений, следовательно, максимальное напряжение, подаваемое на вход Х осциллографа, не должно превышать 2,8 В. Поэтому для наблюдения ВАХ стабилитрона на экране осциллографа ОМЛ-3М (рис. 2.25) к входу Х осциллографа необходимо подключить регулируемый делитель напряжения (переменный резистор, включенный по схеме потенциометра).

Калибровку входа Х осциллографа можно выполнить двумя способами.

1 способ: подать на вход регулируемого делителя известное постоянное напряжение, например, 12 В, и, вращая ось переменного резистора, добиться смещения электронного луча на необходимое число делений, например, на 6 делений. В этом случае коэффициент отклонения по оси Х будет 2 В/дел.

2 способ: подать переменное напряжение одновременно на вход У и на вход переменного резистора, подключенного ко входу Х. Вращая ось переменного резистора, добиваются того, чтобы прямая располагалась под углом 45 ° . В этом случае коэффициенты отклонения по оси У и оси Х будут одинаковыми.

Измерение параметров полупроводниковых диодов

Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупрово­дниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготов­ления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рас­смотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясня­ется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев p-n -перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспе­чения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определен­ных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами p-n -перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляет­ся вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряже­ние. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напря­жения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 6.1, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрас­тает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необрати­мым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются обла­сти с различным дифференциальным сопротивлением R _диф = , поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При изме­рении параметров на прямой ветви ВАХ (рис. 6.1, 6) следует задавать постоянный ток I _пр и измерять падение прямого напряжения U _пр . Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е. источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо­димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Рис. 6.1. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (6) И обратной (в) ветвях

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспе­чивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение U _првыпол­няет высокоомный вольтметр постоянного тока; контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектриче­ской системы.

При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 6.1. в) необходимо задаваться силой обратного тока I _обри из­мерять обратное напряжение U _обр.При этом источник питания Е, ко­торым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения об­ратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратно­го напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольт­метром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на пря­мой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: U _пр— прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока I _пр; R _диф— дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: U _обр — постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоян­ного обратного тока, протекающего через диод: I _обр — сила постоянного обратного тока, протекающего через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения U _обр ; U _{обр. max} — наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

k _выпр = I _пр / I _обр = R _обр / R _пр (6.1)

Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые па­раметры измеряют в определенных точках. Например. U _пр, I _пр, I _обр измеряют с помощью специальных измерителей параметров дио­дов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики I _выпр(f) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема измерения частотной характеристики диода

Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота f _гр, при которой сила выпрямлен­ного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряже­ние неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор R 1обеспечивает согласова­ние сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Сила конт­ролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы ем­костное сопротивление при минимальной частоте подводимого напря­жения было значительно меньше сопротив­ления резистора R 1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость p-n -перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого на­пряжения (рис. 6.3).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения на­пряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окру­жающей среды +20. +50 °С. если это не оговорено особо.

Изменение температуры заметно влияет на все основные парамет­ры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основ­ным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому из­менению его параметров. Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа по­лученных результатов определяют максимально и минимально допу­стимые температуры для диода конкретного типа.

У выпрямительных диодов измеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатацион­ные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежно­стью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характе­ризуются максимальной силой прямого тока I _пр.maxи обратного напря­жения U _обр.max, максимально допустимой мощностью Р _max , рассеивае­мой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

Из-за малости обратного тока значением Р _обробычно пренебрегают и тогда

Р = Р _пр = 2U _пр.ср · I _пр.ср (6.3)

У высокочастотных диодов измеряют практически все те же па­раметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измере­ния параметров диод должен быть защищен от воздействия электро­магнитного поля.

У импульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют спе­циальные параметры (характеризующие инерционность диодов): вре­мя восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, со­противление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются по­тери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей полны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

У параметрических и умножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предель­но допустимым напряжением измеряют добротность диода на задан­ной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабили­зации.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: