Міністерство освіти, науки молоді та спорту України

Національний університет "Львівська політехніка"

Кафедра електронних приладів

Лабораторна робота

на тему:

“ Дослідження характеристик напівпровідникових діодів ”

Виконав:

Студент групи ЕЛ-31

Грабівський Т. М.

Прийняв:

Голяка Р. Л.

Львів 2012р.

1. Вступ. Короткі теоретичні відомості.

Діоди – це узагальнююче поняття електронних приладів, які характеризуються випрямляючою вольт-амперною характеристикою, тобто провідність діода залежить від напрямку прикладеної до нього напруги. В основі функціонування діодів лежать бар'єрні явища в напівпровідниках. Потенційні бар'єри можуть представляти собою, як контакт двох областей напівпровідника з різними легуючими домішками (p-n-переходи), так і контакти метал-напівпровідник (бар'єри Шотткі).

Діодні структури лежать в основі більшості напівпровідникових приладів та твердотільних інтегральних схем. Крім того, самі діодні структури можуть приймати широкий ряд конструктивних варіантів і мати, у відповідності до останніх, різноманітні характеристики та застосування

Основними класами діодів є:

– випрямлючі – стабілітрони – стабістори – варікапи – генераційні – захистні – фотодіоди – світодіоди – діодні лазери

Вольт-амперна характеристика діодів (p-n переходів) в першому наближенні описується виразом

,

де V_G, I – відповідно, напруга на p-n переході та струм через нього;

I_S – струм насичення p-n переходу (типово становить I_S = 10^-1310^-10 A);

m – коефіцієнт неідеальності p-n перехіду (безрозмірна величина; типово становить m = 1.11.5);

– температурний потенціал;

k – постійна Больцмана;

T – абсолютна температура;

q – заряд електрона.

В прямому зміщенні (додатній потенціал на p-області по відношенні до n-області напівпровідника) струм через p-n перехід експоненційно залежить від напруги на ньому. Характеристичною величиною прямої вольт-амперної характеристики є напруга “відкривання”, тобто напруга, при якій струм через p-n перехід досягає певного значення (порядку 1 mA). Для кремнієвих p-n переходів величина цієї напруги знаходиться в межах V_G = 0.60.7 В.

В зворотньому зміщенні струм через p-n перехід практично не тече (в “ідеальних” структурах його значення наближається до струму насичення p-n переходу). В реальних структурах зворотній струм залежить від параметрів p-n переходу, якості матеріалів, технології виготовлення тощо (його значення типово не перевищує одиниць наноампер). На рис. 1 наведена зонна діаграма p-n переходу без зовнішнього зміщення (а), при прямому (б) та зворотному (б) зміщенні, а на рис. 2 – вольт-амперну характеристику діоду (суцільна лінія) та його ідеалізована випрямляюча характеристика (пунктирна лінія). Використання діоду в якості випрямляча змінного струму наведено на рис. 3. .

а) б) в)

Рис. 1. Зонна діаграма p-n переходу: без зовнішнього зміщення (а), при прямому (б) та зворотному (б) зміщенні

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика діоду (суцільна лінія) та ідеалізована випрямляюча характеристика (пунктирна лінія)

Рис. 3. Використання діоду в якості випрямляча змінного струму

Зонна діаграма випрямляючого контакту метал-напівпровідник (діод Шотткі), який широко використовується в імпульсних швидкодіючих діодах наведено на рис. 4. На відміну від діодів на p-n переходах діоди Шотткі позбавлені такого недоліку, як накопичення неосновних носіїв заряду, що забезпечує малий час пвиходу діода з стану прямої провідності. Для забезпечення високих значень зворотної напруги пробою в діоди Шотткі вводять мезаструктури та структури на основі охоронних кілець (рис. 5).

Рис. 4. Зонна діаграма випрямляючого контакту метал-напівпровідник

Рис. 5. Структури та схема заміщення діоду Шотткі з охоронним кільцем

Стабілітрон – це елемент діодного типу, робота якого базується на механізмі лавинного пробою, і використовується для стабілізації напруги. Лавинний пробій має місце при значних величинах зворотніх напруг на p-n переході, які обумовлюють лавинне помноження носіїв заряду. Лавинний пробій носить зворотній характер, тобто діод може як завгодно велику кількість раз входити і виходити з цього пробою. Важливим є, лише, не допустити перегріву структури струмом, який проходить при цьому через діод, тобто не допустити теплового пробою.

При лавинному пробої p-n переходу струм через нього різко збільшується, причому це зростання струму відбувається, практично, при сталому значенні напруги. Саме ця обставина обумовлює застосування стабілітронів – формування напруги, значення якої не залежить від струму через стабілітрон. Переважна більшість стабілітронів характеризуються величинами напруги лавинного пробою V_ST = 68 V.

Тунельний діод – це напівпровідниковий діод на основі виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект приводить до появи на прямій вольт-амперній характеристиці ділянки з від'ємною диференційною провідністю. Використовуються тунельні діоди, здебільшого, для формування імпульсів з мінімальним часом наростання, генерації та підсилення високочастотних коливань.

Внаслідок високої концентрації легуючих домішок в прилеглих до p-n переходу областях, по-перше, товщина потенційного бар'єру є настільки малою, що через нього відбувається тунелювання носіїв заряду, і, по-друге, рівень Фермі виходить з забороненої зони і розміщується в зоні провідності. Виникнення на ділянці вольт-амперної характеристики від'ємної провідності, тобто зменшення струму при збільшенні напруги на p-n переході, обумовлено тим, що внаслідок зміщення енергетичних діаграм зменшується кількість електронів, які здатні тунелювати через бар'єр.

Фотодіод – це напівпровідниковий діод, в якому залежність зворотнього струму від світлового потоку використовується в якості інформативного параметру при вимірюванні освітленості. Фотодіоди реалізовуються на p-n переходах, бар'єрах Шотткі а також на гетеропереходах. При поглинанні квантів світла в напівпровіднику утворюються додаткові носії заряду (пари електрон-дірка), які призводять до збільшення струму зворотньо зміщеного потенційного бар'єру. Характерними параметрами фотодіодів є світлова та спектральна характеристики, інтегральна чутливість, швидкодія тощо. Ці параметри залежать від конструктивно-технологічних параметрів, і в першу чергу від матеріалів фотодіодів.

Магнітодіод – це напівпровідниковий діод, залежність падіння напруги на якому від величини магнітного поля використовується в якості інформативного параметру при вимірюванні індукції поля. Основою магнітодіода є високоомний напівпровідник, в якому сформовано p-n перехід. В прямому зміщенні p-n переходу інжектовані у високоомну область напівпровідника неосновні носії обумовлюють модуляцію провідності напівпровідника (його опір зменшується). Величина модуляції залежить від концентрації неосновних носіїв та траєкторії їх дрейфу. В свою чергу, траєкторія дрейфу носіїв заряду залежить від сили Лоренца. При зростанні магнітного поля відхилення траєкторії збільшується, а модуляція провідності напівпровідника зменшується, що обумовлює відповідне зростання падіння напруги на магнітодіоді. В залежності від конструктивно-технологічних параметрів розрізняють полярні та неполярні магнітодіоди, тобто магнітодіоди падіння напруги на яких, відповідно, залежить та не залежить від напрямку магнітного поля.

Світлодіод (Light-Emitting Diode – LED) – це напівпровідниковий діод, який характеризується високим значенням внутрішнього квантового виходу і використовується для перетворення електричної енергії в світлову. Поняття внутрішнього квантового виходу світлодіоду означає відношення випромінених фотонів до числа рекомбінованих пар носіїв заряду в процесі проходження струму через потенційний бар'єр. Світлодіоди є найбільш простими та широко вживаними малогабаритними джерелами видимого та інфрачервоного випромінювання. Такі джерела видимого випромінювання застосовуються в якості індикаторів та служать основою створення різноманітних панелей відображення інформації. Джерела інфрачервоного випромінювання використовуються в безконтактних лініях зв'язку, засобах дистанційного керування, актюаторах фотосенсорних пристроїв тощо.

Випромінювання світлодіодів обумовлено механізмом перетворення енергії рекомбінації носіїв заряду, при проходженні ними потенційного бар'єру, в фотони. Для того, щоб кванти енергії, яка звільняється при рекомбінації, відповідала квантам видимого світла, неохідно, щоб ширина забороненої зони напівпровідника була достатньо великою (E > 1.7 eV). При меншій ширині забороненої зони кванти вивільненої енергії відповідають інфрачервоній області випромінювання. З найбільш освоєних в даний час напівпровідників найкращими з точки зору внутрішнього квантового виходу є з'єднання GaAs_1-xP_x при x = 00.45. Ширина забороненої зони таких багатокомпонентних напівпровідників збільшується від E = 1.424 eV при x = 0 до 1.977 eV при x = 0,45. В арсеніді галлію, тобто при x = 0 для вказаної системи з'єднань, внутрішній квантовий вихід досягає 100%.