Лабораторна робота 1. Дослідження напівпровідникових випрямних діодів і стабілітронів

Мета роботи. Засвоїти принцип роботи й властивості напівпровідникових випрямних діодів і стабілітронів. Навчитися знімати й досліджувати статичні й динамічні характеристики цих приладів.

Теоретичні відомості

Діод - двохелектродний електронний прилад, що володіє ефектом випрямлення електричного струму. Напівпровідниковий діод представляє двошаровий напівпровідниковий прилад, у якому один шар має електропровідність n-типу, а інший - р (рис. 1.1). Прикордонна область між шарами називається електронно-дірковим (p-n) переходом. Даний перехід має властивості, що випрямляють, тобто проводить струм переважно в одному напрямку, що пояснюється наступними фізичними процесами.

а) б)

Рис. 1.1. Структура діода

При створенні контакту між р- і n-областями під впливом різниці концентрацій дірки дифундують із р-області в n, а електрони - з n-області в р, де вони рекомбінують із носіями струму протилежного знака. Прикордонний шар збіднюється носіями, внаслідок чого в р-області виникає негативний об'ємний заряд нерухливих іонів, а в n-області - позитивний, що приводить до створення потенційного бар'єра ₀, поле якого викликає рух неосновних носіїв (дірок з n-області в р, і електронів з р-області в n). Через перехід протікають чотири складові струми: дві дифузійні й дві дрейфові

При відсутності зовнішнього впливу

тобто дрейфова й дифузійна складові врівноважують одна одну. При цьому потенційний бар'єр перешкоджає руху основних носіїв, що утворюють дифузійні складові, а дрейфові складові обмежуються низькою концентрацією неосновних носіїв, що утворюють даний струм. Якщо до p-n-переходу приєднати зовнішнє джерело напруги U (рис. 1.1б) із плюсом у р-шару й мінусом в n, то висота потенційного бар'єра зменшується до рівня _0-U, що приведе до збільшення дифузійного струму дірок і електронів. При ₀=U потенційний бар'єр повністю компенсується, що приводить до зникнення прикордонного шару.

Якщо перемінити полярність прикладеної напруги на зворотну, то висота потенційного бар'єра збільшиться до значення ₀+U, як наслідок - дифузійний струм зменшується, а дрейфовий зміниться незначно, тому що утворений неосновними носіями, концентрація яких у збідненій області мала. Ширина граничного шару збільшиться.

В ольт-амперна характеристика (ВАХ) p-n-переходу описується виразом

,

де I₀ - тепловий струм, U - прикладена зовнішня напруга, _Т - тепловий потенціал (26мВ).

Напівпровідниковий діод (рис.1.2а) представляє об'єднання p-n-переходу й омічного опору р- і n-областей (рис.1.2б). Тому ВАХ діода характеризується експонентною залежністю на прямій гілці тільки на початковій ділянці. При досягненні граничної напруги U_пор р-n-перехід зникає й залежність між струмом і напругою визначається величиною омічного опору r₀=rp+rn.

а) б)

Рис.1.2. Еквівалентна схема та ВАХ діода

На зворотній ділянці ВАХ перевищення деякої напруги U_проб створює стан пробою - необоротного неконтрольованого збільшення зворотного струму, що приводить до виходу діода з ладу. Відомо кілька механізмів пробою: тунельний, тепловий, лавинний і ін.

Діод є температурно-залежним елементом, тому що зміна температури навколишнього середовища приводить до зміни інтенсивності термогенерації – процесу утворення пари "електрон-дірка". Температурні коливання приводять до зрушення прямої гілки ВАХ вліво/вправо, а зворотної нагору/униз. Найбільш важливе зрушення на прямійгілці, яке оцінюється температурним коефіцієнтом напруги (ТКН):

ТКН = ΔU/ΔT при I=const.

Зміна заряду зворотною напругою на переході еквівалентно деякій ємності, названої бар'єрною. Наявність даної ємності приводить до того, що пульсація зворотної напруги викликає відповідні зміни зворотного струму, по амплітуді набагато переважаючі його стаціонарне значення.

Дифузійною названа ємність, що враховує нагромадження інжектованих нерівноважних носіїв заряду в області p-n-переходу при прямій напрузі. Зміна напруги на зворотне приводить до втягування накопичених носіїв назад, що приводить у момент перемикання до відносно великого зворотного струму, що зменшується в міру розсмоктувания надлишкової концентрації. Даний процес також аналогічний перезаряду ємності.

Існують три варіанти ідеалізації ВАХ діода з метою спрощення аналізу електронних схем. Перший варіант припускає, що для прямого струму Rд =0, а для зворотного - Rд =. При другому варіанті ідеалізації діод представляє нескінченний опір аж до прямої напруги, рівної U_пор (для германієвих діодів U_пор = 0.30.4В, для кремнієвих - U_пор = 0.70.8В). Третій варіант ідеалізації припускає, при перевищенні U_пор прямий опір відмінний від нуля й рівний r₀. Таким чином, еквівалентна схема діода має вигляд, представлений на рис.1.3. На постійному сигналі основним параметром діода є опір Rд, який міняє своє значення залежно від полярності прикладеної напруги. Ємність С_д впливає на поведінку діода на змінному сигналі.

Існує кілька десятків різновидів діодів, які класифікують за технологією виготовлення або функціональному призначенню. Найбільш широко поширені випрямні діоди, призначені для перетворення знакозмінної напруги в знакопостійну в складі відповідних схем. Найпростіша схема такого випрямляча представлена на рис. 1.3в.

а) б) в)

Рис.1.3. ВАХ, еквівалентна схема прямого включення

Випрямні діоди звичайно реалізують випрямлення на низьких (промислових) частотах, що становлять десятки й сотні герц. На більш високих частотах починає позначатися дифузійна ємність діода, що приводить до появи викидів зворотного струму. При деякому значенні частоти діод повністю втрачає свої випрямні властивості. Випрямні діоди також знаходять широке застосування для формування сигналів спеціальної форми.

Стабілітрон

Напівпровідниковий стабілітрон – діод, напруга на якому в області електричного пробою при оберненому зсуві слабко залежить від струму в заданому його діапазоні і який призначений для стабілізації напруги.

В універсальних стабілітронах в якості робочої ділянки використовують ділянку ВАХ, де наступає лавинний пробій, рідше тунельний. Основним матеріалом, де найбільше просто реалізувати умови лавинного пробою, є кремній. З теорії пробою p-n переходу випливає, що пробивна напруга стабілітрона, а значить і напруга стабілізації залежить від товщини бази діода (відстань від металургійної межі p-n переходу до невипрямляючого контакту) і її питомого опору (ступеня легування). Керуючи цими параметрами напівпровідника, вдається створювати стабілітрони з напругою стабілізації від 3 до 400 В.

Типова ВАХ стабілітрона наведена на рис.1.4, де відзначені деякі основні експлуатаційні параметри стабілітронів.

Рис.1.4 Типова ВАХ стабілітрона.

Важливими параметрами стабілітронів також є:

- температурний коефіцієнт напруги стабілізації (середній для робочого інтервалу температур):

• максимальна потужність розсіювання в робочому інтервалі температур .

Якість стабілітрона, як приладу спроможного стабілізувати напругу при зміні струму навантаження, визначається значенням диференціального опору стабілітрона. Воно оцінюється відношенням збільшення напруги стабілізації до викликаючого його малого збільшення струму: . Якість стабілітрона тим вище, чим менше його диференціальний опір. Дійсно, кращій стабілізації відповідає мінімальна варіація напруги на приладі при зміні струму, який пройшов через нього.

Стабістор – це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області прямого зсуву слабко залежить від струму в заданому діапазоні і який призначений для стабілізації напруги.

Основна частина стабісторів – кремнієві діоди на основі низькоомного кремнію. Останнє необхідно для одержання меншого диференціального опору бази (і всього приладу). Це особливо важливо, тому що стабістор функціонує при достатньо великих прямих струмах, і його p-n перехід має малий власний диференціальний опір.

Через малий опір стабістор має малу обернену пробивну напругу. Отже подавати на нього напругу оберненої полярності потрібно з великою обережністю і стежити за значенням оберненої напруги на приладі при перехідних процесах. Максимальна припустима обернена напруга на стабісторі не повинна перевищувати декількох вольт.

Відмінною рисою стабісторов у порівнянні зі стабілітронами є менша напруга стабілізації, що визначається падінням напруги на прямовідкритому діоді, і складає приблизно 0,7 В. Напругу стабілізації можна підвищити в кратне число разів шляхом послідовного вмикання двох або трьох окремих приладів.

Стабістори мають негативний температурний коефіцієнт напруги стабілізації, тобто напруга стабілізації на стабісторі при незмінному струмі зменшується з підвищенням температури. Тому стабістори використовуються для температурної компенсації стабілітронів, що мають позитивний температурний коефіцієнт напруги стабілізації. Для цього послідовно зі стабілітроном включають один або декілька стабісторів.

Крім кремнієвих стабісторів випускаються і полікристалічні селенові, що технологічно простіше і дешевше. Проте вони мають менший гарантійний термін служби і стійко працюють у більш вузькому інтервалі температур ( – ).

Основні параметри функціонування стабісторів:

1. Максимальний обернений струм при максимальній оберненій напрузі.

2. Робоча напруга стабілізації при робочому струмі (положення робочої точки приладу на ВАХ).

3. Зміна напруги стабілізації в інтервалі робочих струмів , %.

4. Оптимальний робочий струм стабістора.

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації ( ).

6. Максимальний і мінімальний струм роботи.

Імпульсний діод.

Основним параметром такого діода є тривалість перехідних процесів при зміні полярності прикладеного напруги. При цьому розрізняють:

- час відновлення зворотного опору діода t_вос (рис. 1.5а), що представляє інтервал часу, який пройшов з моменту проходження струму через нуль (після зміни полярності прикладеного напруги з позитивної на негативну) до моменту, коли зворотний струм досягне заданого малого значення (порядку 0.1I, де I - струм при прямій напрузі);

- час установлення прямої напруги діода t_уст (рис. 1.5б), що представляє інтервал часу від моменту подачі імпульсу прямого струму на діод до досягнення заданого значення прямого струму на ньому.

а) б)

Рис.1.5. Часові діаграми імпульсних діодів

Варикап.

Даний діод (рис. 1.6а) застосовується в якості керованого напругою конденсатора, тому що характеризується великою бар'єрною ємністю, значення якої залежить від зворотної напруги.

Діод Шотки.

Реалізація даного діода (рис. 1.6б) на основі контакту " метал-напівпровідник" різко знижує внутрішню ємність діода, що позначається на його перемикаючих і частотних властивостях.

а) б)

Рис.1.6. Позначки варистора тадіода Шотки