Лабораторная работа №3 «Исследование полупроводникового диода»

Цель работы:

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

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода в прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном постоянном токе.

Приборы и элементы:

1. Амперметр;

2. Вольтметр;

3. Мультиметр;

4. Источник постоянного напряжения;

5. Полупроводниковый диод;

6. Резисторы.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) р-п-переходов. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямитель­ные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления пе­ременного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства р-п-переходов; явле­ние пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивле­нием и др.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади р-п-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов. Для увеличения напряжения лавинного пробоя используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов.

Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми. Материа­лом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия. Германий практически не применяется из-за сильной температурной зависимости обратного тока. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металли­ческой подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенид-галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до не­скольких МГц.

При большом токе через р-п-переход значительное напряжение падает в объе­ме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода приобретает вид

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 3.1.1. а, а его структура на рис. 3.1.1 б. Электрод диода, подключенный к области p, называют анодом (по аналогии с электровакуумным диодом), а электрод, под­ключенный к области n, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 3.1.1. в.

Рис.3.1.1 – Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольтамперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров.

К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

• обратный ток I _обр при некотором значении обратного напряжения;

• среднее значение прямого тока I _пр.ср;

• импульсное обратное напряжение _обр._и.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановления t_вос обратного напряжения;

• время нарастания прямого тока t_нар;

• предельная частота без снижения режимов диода f_шах.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристи­ке диода, которая приведена на рис. 3.1.1. в. Типовые значения статических параметров силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип диода	Технология изготовления	Iобр мА (при Uобр, В)		Uпр , В (при Iпр А)
Д247	Сплавной	3,0	500	1,5	10
КД213	Диффузионный	0,2	200	1,0	10
КД2998	Эпитаксиальный с барьером Шотки	20,0	35	0,6	30

Диоды с барьером Шотки. Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо р-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полу­проводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными.

Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р-n-переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

• почти полностью отсутствует заряд обратного, восстановления.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом напряжении прямое напряжение ДШ меньше прямого напряжения диодов с р-n-переходом на 0,2...0,3В. Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямле­нии малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с р-n-переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10... 15%. Максимальная рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.

К специальным полупроводнико­вым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства р-п-переходов: управляемая полупроводниковая емкость — варикапы и варакторы; зенеровский и лавинный прибой - стабилитроны; туннельный эффект — туннель­ные и обращенные диоды; фотоэффект — фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов — светодиоды; многослойные диоды - динисторы. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие, как тиристоры и двухбазовые диоды.

Варикапы - это полупроводниковые диоды, в которых используется барьер­ная емкость р-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратно­го напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении.

Схематическое изображение варикапа приведено на рис. 3.1.2 а, его вольт-фарадная характеристика — на рис. 3.1.2 б. Условное обозначение варикапа состоит из пяти элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К - кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В - варикап). Третий элемент - цифра, определяющая назначение варикапа (1 - для подстроечных варикапов, 2 - для умножительных варикапов). Четвертый элемент - это порядковый номер разработки. И, наконец, пятый элемент - соответствует разбра­ковке.

Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость С₀, до­бротность Q_c, коэффициент перекрытия по емкости К_с.

Рис.3.1.2. – Схематическое изображение варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от обратного напряжения (б)

Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа Q к мощности Р:

Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости С _тax варикапа к его минимальной емкости С_min

Варикапы находят применение в различных электронных схемах: модулято­рах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настрой­кой, параметрических усилителях и генераторах и др.

Туннельные диоды. Туннельный эффект заключается в туннельном прохожде­нии тока через p-n-переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Достигает­ся туннельный эффект созданием очень тонкого обедненного слоя, который в тун­нельном диоде достигает 0,01 мкм. При таком тонком обедненном слое в нем даже при напряжении 0,6...0,7В напряженность поля достигает (5...7)-10⁵В/см. При этом через такой узкий и через переход протекает значительный ток.

Этот ток проходит в обоих направлениях, только в области прямого смеще­ния ток вначале растет, а достигнув значения /_max. при напряжении U₁, затем до­вольно резко убывает до /_min при напряжении U₂. Снижение тока связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U₂ число таких элек­тронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает.

При дальнейшем повышении напряжения выше U₂ прохождение прямого тока такое же, как у обычного диода, и определяется диффузией.

Обращенный диод является вырожденным туннельным диодом. Подбором концентрации примесей таким образом, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали при отсутствии внешнего смещения на переходе, можно получить обычную диодную характеристику в области положительных напряжений. При этом участок отрицательного сопротивления будет отсутствовать. Вольт-ампер­ная характеристика обращенного диода приведена на рис. 3.1.3. а, а его условное, обозначение — на рис. 3.1.3. б.

Обращенные диоды применяются для выпрямления на сверхвысоких частотах очень малых напряжений. Однако при использовании обращенного диода необхо­димо поменять местами анод и катод, так как меняются местами области выпрям­ления. Это и обусловило название диода - обращенный.

Фотодиод (ФД) представляет собой диод с открытым p-n переходом. Свето­вой поток, падающий на открытый p-и-n переход приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой:

Без включения нагрузки фото­диод может работать в двух режи­мах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме корот­кого замыкания напряжение на дио­де равно нулю, и ток в диоде равен фототоку. Таким образом, в режиме короткого за­мыкания соблюдается прямая про­порциональность между током в диоде и световым потоком. Такая пропорциональность достаточно хо­рошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет.

Рис.3.1.3 – Вольтамперная характеристика обращенного диода (а) его схематическое изображение (б)

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения. Ос­новными характеристиками фотодиодов являются: диапазон длин волн принима­емого излучения, интегральная чувствительность 5„ темновой ток /.,. и постоянная вре­мени τ.

Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как види­мого, так и невидимого излучения ДА,=0,4...2мкм. Интегральная чувствительность зависит от площади p-n-перехода и может изменяться в пределах 10³... 1 мкА/люкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение 10²... 1 мкА.

Фотодиоды имеют очень малую инерционность, т. к. ток в них обусловлен дрей­фом неосновных носителей и не связан с диффузией носителей через переход. Посто­янная времени т фотодиодов лежит в пределах 1(г³...1 мкс.

Рис.3.1.4 – Вольтамперная характеристика фотодиода (а) и его схематическое изображение (б)

Проведение эксперимента

3.1.1. С помощью средств программы EWB построить схемы для снятия вольтамперной характеристики диодов в соответствии с рисунками 3.1 и 3.2.

Значение Э.Д.С. источника постоянного тока зависит от типа исследуемого диода. В большинстве случаев достаточно прикладывать к диоду в прямом направлении напряжение порядка 1В, а в обратном – 30-40 В.

3.1.2. Выбрать из библиотеки тип диода, задать реальные параметры. В таблице 3.2.1 приведены основные параметры некоторых диодов, получивших широкое применение в электронной аппаратуре.

Тип диода	Выпрямленный ток (среднее значение), А	Обратный ток, А	Максимальный обратный ток, mA	Постоянное прямое напряжение, В
Д7А-Д7Ж	1-3	0.1	50-400	0.5
Д202-Д205	0,4	0.5	100-400	1.0
Д226	0,3	0.1	300,400	1.0
Б,В, Г, Д			100,200

Таблица 3.2.1 – Основные параметры некоторых диодов

Рисунок 3.2 - Схема для исследования прямой ветви ВАХ диода

Рисунок 3.3 - Схема для исследования обратной ветви ВАХ диода

3. Нажать кнопку «Пуск» на экране дисплея. Снять вольт-амперные характеристики двух выпрямительных диодов по схемам прямым и обратным напряжением.

4. Построить схему для снятия вольт-амперной характеристики диода с использованием осциллографа в соответствии с рисунком 3.4.

Рисунок 3.4 – Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода с помощью осциллографа