Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет φ_k, I_s и r_б диодов.

2. Рассчитать и построить ВАХ идеального диода и ВАХ реального диода при температуре 300 K в одной системе координат.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номеру в журнале

Рабочее задание

1. Получить у преподавателя диод, отметить в протоколе материал, из которого сделан диод.

2. Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов при масштабах ±5 В по напряжению и ±5 или ±15 мА, результаты занести в таблицы.

3. Отдельно промерить обратную ВАХ диода при масштабе ±100 В.

4. Построить графики ВАХ диодов в линейных масштабах по осям.

5. По усмотрению преподавателя, получить второй диод и повторить п. 1-4.

Анализ результатов измерений

1. Перестроив график прямой ветви ВАХ в полулогарифмическом масштабе, установить, есть ли на ней участок, соответствующий идеализированной теории p-n-перехода. Если такой участок есть, найти значение тока насыщения Is. Если наклон в области малых напряжений соответствует коэффициенту m = 2, найти значение тока I ⁺_RG0.

2. По наклону прямолинейного участка прямой ветви ВАХ, построенной в линейном масштабе, приближенно найти значение сопротивления базы r_б.

3. Графически оценить значение φ_k. При больших значениях прямого тока падение напряжения на ОПЗ приближается к значению контактной разности потенциалов, т.е. U ≈ φ_k. Напряжение на диоде U_д=I r_б+U, и, следовательно, при I = 0 на оси напряжений отсекается величина, приблизительно равная контактной разности потенциалов φ_k.

3. Сравнить экспериментально полученные ВАХ диодов с рассчитанными, объяснить различия.

Контрольные вопросы

1. Какие заряды образуют ОПЗ?

2. От каких параметров полупроводникового диода зависит величина контактной разности потенциалов?

3. Что происходит с величиной потенциального барьера при подаче на р-n-переход прямого и обратного напряжений?

4. Нарисуйте и объясните зависимости распределения концентрации носителей от координаты при прямом и обратном смещении.

5. Нарисуйте и объясните ВАХ диодов.

Лабораторная работа № 2. Исследование температурной зависимости статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы: приобретение навыков экспериментального исследования температурной зависимости ВАХ полупроводниковых диодов.

Повышение температуры приводит к росту собственной концентрации носителей:

, (2.1)

где E_g – ширина запрещенной зоны (E_g=E_с –E_v). Она зависит от температуры:

. (2.2)

Для Si E_g0 = 1,17 эВ, a = -3,9∙10^-4 эВ/К, для Ge E_g0 = 0,785 эВ, a = -3,7∙10^-4 эВ/К, для GaAs E_g0 = 1,52 эВ, a = -4,3∙10^-4 эВ/К.

Это приводит к росту тока насыщения (рисунок 2.1),

(2.3)

Таким образом, для расчета ВАХ при температуре Т необходимо рассчитать значение тока насыщения и сопротивления базы диода. Для этого необходимо рассчитать значения концентраций неосновных носителей заряда и подвижности носителей при заданной температуре. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда n в полупроводнике легированном донорной примесью с концентрацией Nd показана на рисунке 2.2.

Рис. 2.1. Изменение ВАХ при повышении температуры

Рис. 2.2. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда

При низкой температуре (область 1) концентрация носителей повышается с ростом температуры за счет ионизации атомов примеси.

Концентрацию свободных носителей заряда в области 1, называемой областью слабой ионизации примеси, можно оценить по формуле (2.4), если полупроводник легирован донорной примесью (n-тип проводимости), или по формуле (2.5), если полупроводник легирован акцепторной примесью (p-тип проводимости).

, (2.4)

, (2.5)

где N_d, N_a – концентрация легирующей примеси; N_c, N_v – эффективная плотность квантовых состояний (количество разрешенных уровней в единице объема материала) в зоне проводимости и в валентной зоне, соответственно.

Для Si N_c = 2,7∙10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 1,05∙10¹⁹ (T/300) ^3/2,

для Ge N_c = 1,04∙10¹⁹ (T/300) ^3/2, N_v = 6,1∙10¹⁹ (T/300) ^3/2.

Значение подвижности рассчитывается по формуле (1.2), а затем по формулам (1.8) и (1.9) рассчитать необходимые величины.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с температурными зависимостями в диодах.