Лабораторна робота № 1 дослідження характеристик напівпровідникових діодів
1. Мета роботи
Метою роботи є дослідження вольтамперных характеристик (ВАХ) випрямного й імпульсного напівпровідникових діодів.
Відомості, необхідні для виконання роботи
Напівпровідниковий прилад, який має один р-п-перехід і два електроди, називається діодом.
Усі напівпровідникові діоди можна розділити на дві групи: випрямні й спеціальні. Випрямні діоди, як випливає из самої назви, призначені для випрямлення змінного струму. Залежно від частоти й форми струму, що випрямляється, вони діляться на низькочастотні, високочастотні й імпульсні. Спеціальні типи напівпровідникових діодів використовують різні властивості р-п-переходів, наприклад, явище пробою, фотоефект, наявність ділянок з негативним опором і інші. Спеціальні напівпровідникові діоди знаходять, зокрема, застосування для стабілізації постійної напруги, реєстрації оптичного випромінювання, формування електричних сигналів і т.д.
Випрямні напівпровідникові діоди виготовляються, як правило, із кремнію, германія або арсеніду галію. Класифікувати випрямні напівпровідникові діоди можна по конструкції й технології виготовлення. Залежно від конструкції випрямні напівпровідникові діоди діляться на площинні і точкові. Залежно від технології виготовлення – на сплавні, дифузійні й епітаксіальні.
Площинні діоди мають більшу площу р-п-переходу й використовуються для випрямлення великих струмів (до 30 А). Точкові діоди мають малу площу р-п-переходу й, відповідно, призначені для випрямлення малих струмів (до 30 мА).
Звичайно випрямний напівпровідниковий діод нормально працює при напругах, що знаходяться у діапазоні до 1000 В. При необхідності збільшення, напруги, що випрямлюється, використовуються випрямні стовпи, що складаються з ряду послідовно включених напівпровідникових діодів, у цьому випадку напругу, що випрямлюється, вдається підвищити аж до 15000 В.
Призначені для випрямлення більших струмів випрямні напівпровідникові діоди великої потужності називають силовими. Вони дозволяють випрямляти струми до 30 А. Матеріалом для таких діодів звичайно служить кремній або арсенід галію, оскільки германій характеризується сильною залежністю зворотного струму через р-п-перехід від температури.
Сплавні діоди звичайно використовуються для випрямлення змінного струму із частотою до 5 кГц і виготовляються із кремнію. Кремнієві дифузійні діоди можуть працювати на підвищеній частоті до 100 кГц. Кремнієві епітаксіальні діоди з металевою підложкою (з бар'єром Шоттки) можуть використовуватися на частотах до 500 кГц.
Імпульсні діоди мають малу тривалість перехідних процесів і використовуються для випрямлення високочастотних сигналів частотою до сотень мегагерц. Важливим параметром імпульсного діода є час відновлення його зворотного опору. Для підвищення швидкодії імпульсні діоди виготовляють у вигляді точкових структур, що забезпечує мінімальну площу р-п-перехода.
Основні характеристики напівпровідникового діода можна одержати, аналізуючи його ВАХ. При дослідженні ВАХ слід звертати увагу на те, що залежність струму I через р-п-перехід від спадання напруги U на переході описується рівнянням Еберса-Молла:
212\* MERGEFORMAT (.)
де
– зворотний струм насичення діода, а
– тепловий потенціал.
Оскільки для напівпровідникових матеріалів при Т=300 К тепловий потенціал = 25 мВ, те вже при U = 0,1 В можна користуватися спрощеною формулою:
313\* MERGEFORMAT (.)
Важливим параметром, який характеризує властивості діода, є диференційний опір р-п-перехода, який рівний відношенню приросту падіння напруги на діоді до приросту струму через діод:
414\* MERGEFORMAT (.)
Диференційний опір можна обчислити, використовуючи вирази (1.2) і (1.3), а саме:
або
515\* MERGEFORMAT (.)
При протіканні великого струму (залежно від типу діода цей струм становить від одиниць до десятків міліампер) через р-п-перехід в об’ємі напівпровідника падає значна напруга, нехтувати якою не можна. У цьому випадку рівняння Еберса-Молла здобуває вид:
616\* MERGEFORMAT (.)
де R – опір об’єму напівпровідникового кристала, який називають послідовним опором.
На рис. 1.1, а приведено умовне графічне позначення напівпровідникового діода на електричних схемах, його структура – на рис. 1.1, б. Електрод діода, підключений до області р, називають анодом, а електрод, підключений до области п – катодом. Статична вольтамперна характеристика діода показана на рис. 1.1, в.
Рис. 1.1. Умовне позначеня (а), структура (б) і статична вольтамперна характеристика (в) напівпровідникового діода