Изучение вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Цель работы. Экспериментально исследовать вольтамперную характеристику полупроводникового диода и его основные параметры.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

1. Диодами называют полупроводниковые приборы с одним р-n переходом и двумя выводами. В зависимости от типа диода, р-n переход создается за счет контакта либо двух полупроводников с различным типом проводимости (электронной и дырочной), либо за счет контакта металла и полупроводника. Для изготовления диодов применяют в основном кремний, германий и арсенид галлия, в которые искусственно вводят атомы донорных примесей для создания примесной проводимости.

Процесс образования р-n перехода и причины, приводящие к образованию односторонней проводимости, рассматривались в курсе физики.

Типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n перехода и полупроводникового диода приведены на рис. 1 (соответственно кривые 1 и 2)

Рис. 1

Отличие теоретической ВАХ р-n перехода и реальной ВАХ диода в области прямых напряжений объясняется тем, что у реальных диодов имеется объемное омическое сопротивление перехода, определяемое его геометрическими размерами и удельным сопротивлением материала.

Реальная ВАХ диода в области прямых напряжений описывается формулой:

где U_пр - напряжение, приложенное к выводам диода, φ_т - тепловой потенциал (φ_т =кТ/е, где к - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, е – заряд электрона), I₀ - тепловой ток диода, обусловленный диффузионными явлениями, r - сопротивление диода. Величина сопротивления диодов при прямом включении лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом.

Ток через диод становится заметно отличным от I_о только при напряжениях более, чем в 3 раза превышающих φ_т. Поэтому, резкое возрастание силы тока через диод при включении прямого напряжения наблюдается у германиевых транзисторов при U > 0,35 В, а у кремниевых - при U > 0,7 В. Помимо этого, и сама величина тока I₀ у кремниевых диодов на несколько порядков ниже, чем у германиевых.

При приложении обратного напряжения к диоду, в нем помимо тока I₀ возникают также ток тепловой генерации носителей в переходе I_тг и ток утечки через поверхность кристалла диода I_у. Эти три составляющие и определяют величину обратного тока через диод:

.

Увеличение температуры приводит к сдвигу влево прямой ветви ВАХ диода и увеличению диффузионной и тепловой составляющих обратного тока.

2. Использование различных материалов и технологий позволяет получать диоды с весьма отличающимися характеристиками. Рассмотрим основные типы диодов.

Выпрямительные диоды. Являются самыми распространенными. Применяются для выпрямления переменного тока. Характеризуются довольно большой площадью р-п перехода, необходимой для пропускания токов большой величины, и, как следствие, большой собственной емкостью. Наличие большой электрической емкости перехода в сочетании с собственным сопротивлением придают выпрямительным диодам свойства фильтров низких частот, вследствие чего они применяются до частот порядка 1 кГц.

Основными классификационными характеристиками выпрямительных диодов являются: максимальный прямой ток (от сотен миллиампер до сотен ампер) и максимальное обратное напряжение (до тысячи вольт).

Стабилитроны. Стабилитронами называются диоды особой конструкции, работающие в режиме пробоя при отрицательном напряжении, и используемые для стабилизации напряжений.

Рис. 2

Вольтамперная характеристика стабилитронов в области отрицательных напряжений проходит практически параллельно оси тока (рис.2а). Поэтому при изменении силы тока через стабилитрон от I_min до I_max величина падения напряжения на нем U_ct остается практически постоянной. На рис. 26 приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на стабилитроне.

У современных стабилитронов напряжение стабилизации находится в пределах от единиц до сотен вольт, а ток стабилизации - от долей до единиц мА.

Варикапы. Зависимость электрической емкости р-n перехода от обратного напряжения используется в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. Такие приборы используются в колебательных контурах (вместо конденсаторов переменной емкости) для изменения их собственной частоты под действием приложенного напряжения. В частности, варикапы могут использоваться для частотной модуляции, в параметрических усилителях и проч.

О сновной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика (рис. 3).

Важнейшим параметром варикапов является коэффициент перекрытия по емкости K=C₁/C₂. Для современных варикапов коэффициент перекрытия может достигать десятков при изменении обратного напряжения от десятых долей вольта до десятков вольт. Варикапы, благодаря малому обратному току (т.е. высокому электрическому сопротивлению), обладают весьма высокой добротностью, что позволяет получать очень узкие резонансные кривые колебательных электрических контуров.

Рис. 3

Туннельные диоды. Для изготовления туннельных диодов используют полупроводники с очень большим содержанием примесей, за счет чего добиваются получение очень узкой ширины р-n перехода. При этих условиях в р-n переходе наблюдается туннельный эффект, приводящий к появлению на ВАХ туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 4).

Наличие на ВАХ туннельного диода таких участков позволяет их использовать для построения бистабильных схем (ячеек памяти) и усилителей (см. в [1].)

Как видно из рис.4, если увеличивать силу тока через диод, то напряжение сначала плавно увеличивается до точки А, а затем скачком переходит в точку С. Таким образом, практически при одном и том же значении силы тока напряжение на диоде может иметь два значения: низкое (логический 0 в точке А) и высокое (логическая 1 в точке С).

Рис. 4

Из других типов необходимо отметить высокочастотные полупроводниковые диоды, которые за счет применения при их изготовлении специальных технологий, имеют очень малую электрическую емкость р-n перехода. К таким диодам относятся диоды Шоттки, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (см. в [1], [2]).

Полупроводниковые диоды маркируются следующим образом. Первый элемент в коде - буква или цифра, обозначающие исходный полупроводниковый материал: Г или 1 -германий, К или 2 - кремний, 3 или А - арсенид галлия и т.п. Второй элемент - определяет назначение диода: Д - выпрямительные или высокочастотные, В - варикапы, И -туннельные, С - стабилитроны. Третий элемент - трехзначное число, указывающее номер разработки. Последний элемент - буква, определяющая основные параметры диодов (обратное напряжение, допустимы ток и т.п.), которые приводятся в специальных справочниках.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Экспериментальная установка состоит из генератора синусоидальных колебаний ГЗ-33 (34), модульного конструктора "Электронная мозаика" и осциллографа С1-71 (74).

Комплект "Электронная мозаика" позволяет собирать без помощи пайки различные электронные схемы. Соединение элементов производится с помощью металлических скоб.

Вольтамперная характеристика диода изучается с помощью схемы на рис. 5.

Рис. 5 Рис. 6

Для данной схемы выполняются следующие соотношения:

U_д = U_bx – U_вых, (1)

I_д = U_вых /R_h, (2)

R_д = U_д / I_д, (3)

где Iд, Uд, Rд- соответственно ток, напряжение и сопротивление диода, a U_bx и U_вых - амплитудные значения напряжения на входе и выходе схемы.

При подключении ко входу схемы генератора, а к выходу – осциллографа, на экране получается картинка, аналогичная приведенной на рис. 6. Для уменьшения погрешности измерения U_д, разница между U_bx и U_вых должна быть порядка U_вых, что выполняется при величинах R_h порядка сопротивления диода. Следует обратить внимание на то, что при подаче на диод отрицательного напряжения, напряжение на выходе не равно нулю, поскольку сопротивление реальных диодов при обратном включении не равно бесконечности.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Внимательно ознакомиться с приборами, находящимися на рабочем столе. Изучить описание осциллографа, генератора и конструктора "Электронная мозаика".

2. Включить осциллограф и генератор и дать им прогреться 5 мин. Переключатель диапазонов выходного напряжения генератора установить в положение «50».

3. Собрать из элементов "Электронной мозаики" схему на рис. 5, включив сопротивление нагрузки R_Н = 100 Ом (поскольку сопротивление такого номинала не входит в состав набора «Электронная мозаика», в схему включается сопротивление 1 Мом, зашунтированное выданным преподавателем сопротивлением). Подключить выход генератора и вход осциллограф к схеме с помощью соответствующих проводов.

4. Подать на вход схемы синусоидальный сигнал с генератора с частотой f = 500 Гц и амплитудой U = 0,5 В. Величину амплитуды контролировать с помощью осциллографа.

5. Получить на экране осциллографа установившуюся картину сигнала. Измерить по осциллографу амплитуду напряжения в положительной полуволне U_{вых пр}. Для определения нулевого положения луча соединить проводком сигнальный и земляной входы осциллографа. Результаты занести в строку 2 Таблицы 1.

Примечание. Для получения представительных результатов измерения входного и выходного напряжений необходимо произвести с предельной аккуратностью.

6. Провести измерения амплитуды выходного сигнала выпрямителя для всех входных напряжений, указанных в Таблице 1. Результаты занести в строку 2 Таблицы 1.

7. Включить в качестве нагрузки сопротивление R_Н = 680 кОм. Произвести измерения в соответствии с пп. 4 - 6 амплитуды выходного напряжения в отрицательной полуволне U_{вых об}. Результаты занести в строку 7 Таблицы 1.

Таблица 1.

1	Uвх, В	0.5	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	7.0	10.0
2	Uвых пр, В
3	Uд пр, В
4	I д пр, мА
5	R д пр, Ом
б	Uвх, В	0.5	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	7.0	10.0
7	U вых об, В
8	U д об, В
9	I д об, мкА
10	R д об, кОм

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Произвести необходимые расчеты и заполнить Таблицу 1. Для расчета величин в таблице использовать формулы (1) - (3). Обратить внимание на то, что при расчетах прямого и обратного сопротивлений диода необходимо брать разные значения R_Н.

2. Построить графики зависимости силы тока диода I_д и его сопротивления Rд от напряжения ид. Значения обратного напряжения U_{д об} и обратного тока I_{д об} откладывать вдоль отрицательных полуосей. В качестве единиц измерений при прямом включении диода взять мА и Ом, а обратного мкА и кОм.

3. По графикам определить напряжение, при котором сила тока через диод начинает резко возрастать.

4. Написать заключение по работе, отметив в нем характерные особенности ВАХ диода и сравнив прямое и обратное сопротивление.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Описать физические основы проводимости полупроводников и принцип работы р-п перехода.

2. Перечислить основные типы полупроводниковых диодов, их характеристики и области применения.

3. Нарисовать типичную вольтамперную характеристику полупроводникового диода и охарактеризовать влияние на нее температуры.

4. Опишите принцип построения усилителей на туннельных диодах.

5. Нарисуйте принципиальную схему стабилизатора напряжения на стабилитроне и опишите принцип его работы.

Литература

1. Л.З. Бобровников. Радиотехника и электроника. Учебник для ВУЗов. - 3 изд. М, Недра, 1980. §§9.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие. Под ред. Г.Д. Петрухина. М: Изд-во МАИ, 1993. §§3.1 – 3.3.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5