Лабораторная работа № 1 иследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы:

- оценка статических ВАХ полупроводниковых диодов;

- исследование принципа работы полупроводниковых диодов.

Задание:

1. Измерить и сравнить параметры четырех диодов различного типа:

маломощные диоды (Ge и Si); опорный диод (стабилитрон); светодиод.

2. Построить ВАХ исследуемых диодов для прямой и обратной ветви.

3. По ВАХ исследуемых диодов определить их статические параметры.

Приборы и оборудование:

1. Универсальный источник питания (ЭДС): Е ≤ 20 В; I_Раб ≤ 0,10 А;

2. Стенд универсальный с элементами регулировки Е и U параметров;

3. Набор диодов (выпрямительные - 2 шт., светодиод и стабилитрон);

4. Измерительные приборы (мультиметры) (I_ИЗМ ≤ 0,10 А; U_ИЗМ ≤ 20 В);

5. Осциллограф модели С1-55 – С1-118 или однотипные.

6. Генератор модели Г3-109 – Г3-36 или однотипные.

* Исследовать параметры моделей диодов можно также с помощью программ:

Electronics Workbench (EWB), Micro-Cap (MC), Proteus (VSM) и др.

1.1. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод – это активный элемент, имеющий один p-n переход и два вывода. Диоды (VD) предназначены для выпрямления, преобразования и коммутации электрических сигналов переменного и постоянного тока.

В диоде p–n-переход образован взаимодействием областей p–типа и n–типа.

Режим работы диода определяется свойствами его (p-n) перехода при воздействии на него внешнего электрического поля [1]:

- прямой ток возникает при несовпадении направлений внутреннего и внешнего электрического поля; прямой ток отсутствует при совпадении направления полей.

При создании внешнего электрического поля, т.е. при определенном условии подключения источника ЭДС к диоду - между p и n-областями может возникнуть контактная разность потенциалов т.е. установлен потенциальный барьер [2].

Потенциальный барьер уменьшается при прямом включении, когда (+) источника ЭДС подаётся на АНОД (p–область), а (–) на КАТОД (n–область).

Прямой ток I_ПР диода образован преимущественно диффузионным током I_Д основных носителей, а также дрейфовым I_S (тепловым) током неосновных носителей и сильно зависит от приложенного прямого напряжения U_ПР, т.к потенциальный барьер φ_К невелик, например, φ_К(Ge) = 0,3-0,35В и φ_К(Si) = 0,6-0,7В. При этом ширина перехода уменьшается, снижая сопротивление запирающего слоя.

Потенциальный барьер возрастает при обратном включении p-n-перехода, т.е. когда (+) источника подается на катод - область n, a (–) на анод - область p.

О братный ток I_ОБР формируется дрейфовым током, а диффузии-онный ток становится равным нулю I_Д = 0 при определенном значении напряжения U_ОБР.

Концентрация неосновных носителей мала, а сопротивление запирающего слоя велико, поэтому обратный ток диода незначителен I_S→0. (С ростом Т⁰ перехода на Т = 8 ÷10⁰С ток I_ОБР удваивается).

Рис. 1.1 ВАХ 3-х типов диодов - зависимость напряжения от тока, протекающего через p–n-переход.

Основные параметры p–n-перехода:

статическое сопротивление постоянному току при прямом включении диода:

R₀ = U_ПР/I_ПР. (1.1)

Дифференциальное сопротивление переменному току (на прямой ветви ВАХ):

r_d = ∆U_ПР/∆I_ПР. (1.2)

По функциональному назначению диоды разделяют на следующие типы:

низкочастотные (выпрямительные); высокочастотные (импульсные); универсальные; диоды опорные (стабилитроны); опто-элементы (светодиоды и фотодиоды); магнито-диоды; диоды детекторные, туннельные, диоды Ганна и прочие [2].

Выпрямительные диоды (сплавные эпитаксиальные и диффузионные) выполненные на основе несимметричных p–n переходов. Они предназначены для преоб­разования переменного тока в постоянный ток.

В выпрямительных диодах используются широкие p-n переходы, что позволяет снизить напряженность электрического поля и повысить значение обратного напряжения, при котором может возникнуть тепловой пробой, приводящий к порче p–n перехода. Из-за большой площади p–n-переходов барьерная емкость (С_БАР) их велика и достигает значений - несколько десятков пикофарад.

Выпрямительные диоды имеют малое статическое сопротивление R₀ в прямом направлении, позволяя пропускать большие токи в прямом направлении.

Опорные диоды (стабилитроны) предназначены для стабилизации напряжения (и тока) в цепи. Стабилитроном называют опорный диод, работающий в области пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ).

Опорные диоды применяют в схемах стабилизаторов напряжения и тока.

В зависимости от типа стабилитрона, в нем может возникать один из видов пробоя: туннельный (полевой) либо лавинный (зенеровский) пробой.

Опорные диоды имеющие U_ОП ≤ 6 В (и —ТКН) изготовляют с большой концентрацией примесей для обеспечения туннельного эффекта.

Если в опорных диодах пробой осуществляется за счет высокого напряжения на переходе, то это – лавинный пробой.

Т КН - температурный коэффициент напряжения, показывающий изменение U_ОП в зависимости от температуры. Типовое знач. ТКН ~ (0.2÷0.4)%/град.

Динамическое сопротивление r_d - опорного диода показывает степень стабилизации напряжения ΔU_ОП при изменении тока ΔI_ОП.

Основные параметры маломощных стабилитрона:

U_ОП ≥ 2 В; I_ОП ≤ 70 мА; мощность рассеяния Р ≤ 0,2 Вт;

дифференциальное сопротивление r_d = 2 ÷ 60 (Ом).

Светодиод – точечный источник света, излучение в котором возникает в процессе рекомбинации носителей заряда. Наиболее интенсивными носителями заряда являются так называемые прямозонные полупроводники, например, арсенид галлия, длина волны излучения которого составляет λ = 0,1–1 мкм. Для получения видимого излучения используют материал с широкой запрещенной зоной. Фотодиод, наоборот использует энергию светового облучения. В нем носители заряда генерируются под воздействием света, а при отсутствии облучения в полупроводнике протекает только темновой ток, являющийся обратным током p–n-перехода.

Основные параметры выпрямительных и импульсных диодов:

1. Ток прямой: I_ПР (десятки мА – десятки Ампер);

2. Напряжение прямое U_ПР (доли В) – при заданном значении прямого тока;

3. Обратный ток I_ОБР (доли мкА—доли мА);

4. Обратное напряжение U_ОБР – при котором диод сохранять работоспособность;

5. Рассеиваемая мощность Р (сотни мВт — десятки Вт);

6. Рабочая частота переключения f_{ВЫПР.МАХ.} ≤ 500 кГц; f_{РАБ.ИМП} ≤ 4000 МГц.

* Справочные данные полупроводниковых диодов приведены в таблице №1.3.

В обозначении типа диода по ГОСТ (после 1977) содержится до шести знаков, например: ГД507 (1Д507); КД226А (2Д226А); КС133 (2С133); АЛ360А (3Л360А).

Первый элемент - обозначает материал, из которого изготовлен прибор:

Г (1) – германий; К, (2) – кремний; А (3) – соединения арсенид галлия.

Второй элемент – класс прибора: Д – диоды выпрямительные, универсальные, импульсные; С – стабилитроны; Л – диоды излучающие и т.д.

Третий элемент – (первая цифра после двух букв) – назначение прибора:

Четвертый и пятый элемент (цифры 01 - 99);– порядковый номер разработки.

Шестой элемент – буква русского алфавита; (обозначает технологию изготовления).