LS-Sb88865

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

_____________________________________________________________

Исследование статических характеристик

полупроводниковых приборов

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2012

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд для исследования статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов в своем составе содержит:

исследуемые полупроводниковые приборы (диод 1, стабилитрон 2, тиристор 3, биполярный транзистор 4, полевой транзистор 5);

встроенный блок питания, обеспечивающий стенд тремя независимо изменяющимися напряжениями;

универсальный цифровой мультиметр для измерения токов и напряжений с индикацией результатов на двухстрочном жидкокристаллическом дисплее. В нижней части лицевой панели лабораторного стенда расположены кнопки управления схемой коммутации с индикацией ее состояния посредством светодиодов, а также ручки потенциометров, управляющих напряжениями встроенных источников питания E1, E2 и E3.

Состояние схемы коммутации стенда меняется однократным нажатием соответствующей кнопки и удержанием ее в течение 0.5 с. В правом верхнем углу находится жидкокристаллический дисплей мультиметра с кнопками переключения страниц выводимой информации. Расположение страниц следующее:

3

В левом верхнем углу – выключатель питания (СЕТЬ). В средней зоне – мнемосхема лабораторного стенда.

На задней панели расположены сетевой предохранитель и разъем связи с ЭВМ. Все измерения, выполняемые в ходе выполнения лабораторной работы, проводятся при постоянном токе.

Для снижения влияния температуры при прогреве исследуемых полупроводниковых приборов в ходе эксперимента используются облегченные режимы их работы, соответствующие начальным участкам их ВАХ. С целью повышения чистоты экспериментов в области высоких токов и напряжений рекомендуется проводить кратковременные измерения с промежутками между ними, достаточными для охлаждения прибора.

Лабораторная работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА И СТАБИЛИТРОНА

Цели работы:

1.Изучение статических вольт-амперных характеристик диода и стабилитрона.

2.Приобретение навыков экспериментального измерения статических вольт-амперных характеристик маломощных полупроводниковых приборов.

1.1. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковыми диодами называют двухэлектродные полупроводниковые приборы с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяется p–n-переход, гетеропереход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником (диод Шотки).

В зависимости от способа изготовления диоды бывают точечными, сплавными, эпитаксиальными и др.

По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (стабисторы), варикапы, туннельные, обращенные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, лазерные диоды, магнитодиоды, диоды Ганна и др.

4

Подавляющее большинство полупроводниковых диодов представляют собой структуру, состоящую из областей n- и p-типов, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом.

Электрод диода, подключенный к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключенный к отрицательному полюсу – катодом. Условное обозначение диода на схемах приведено на рис. 1.1.

Независимо от способа изготовления полупро- АнодКатод водникового диода концентрация примесей в базе Б всегда меньше, чем в эмиттере Э, поэтому элек- тронно-дырочный переход оказывается сдвинутым

в область базы, то есть является несимметричным. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением.

На рис. 1.2 показан пример p–n-структуры, изготовленной по комбинированной технологии, широко используемой при производстве интегральных схем.

n

n+

Б

Рис. 1.2. p–n-структура полупроводникового диода

На кремниевой подложке n+-типа (с высокой концентрацией примесей) выращивают эпитаксиальный слой n-типа (с низкой концентрацией примесей). Затем поверхность выращенного слоя окисляют, в результате чего обра-

зуется изоляционный слой SiO2 толщиной около 1 мкм, в котором создают окна и через них методом диффузии в выращенный слой вводят акцепторную примесь, изменяющую тип электропроводимости выращенного кри-

сталла. В результате образуется p+-слой с высокой концентрацией примеси, отделенный от n-области электронно-дырочным переходом. Затем осуществ-

5

ляют омические контакты с n+- и p+-областями путем напыления алюминия. В процессе изготовления кремниевой пластины создается большое количество одинаковых p–n-структур. Такую пластину разделяют на отдельные кристаллики, каждый из которых монтируют в герметичном металлическом, пластмассовом или стеклянном корпусе, защищающем кристалл от воздействия окружающей среды, а базу и эмиттер через омические контакты соединяют с внешними выводами.

Вольт-амперная характеристика диода. Режим работы диода определя-

ется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Типовая ВАХ диода представлена на рис. 1.3.

I Характеристику диода (при прямом включении) можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции:

пературное напряжение UT = kT/q 26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов ВАХ отличаются от

идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, а также токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях начиная с некоторого предела сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви ВАХ, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя.

Диод имеет следующие основные параметры:

Постоянное прямое напряжение Uпр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе.

6

Постоянный прямой ток Iпр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении.

Постоянный обратный ток Iобр – постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Средний прямой ток Iпр.ср – прямой ток, усредненный за период. Средний обратный ток Iобр.ср – обратный ток, усредненный за период.

Дифференциальное сопротивление диода rдиф – отношение прираще-

ния напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока. Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные

токи, напряжение и мощность.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона. Стабилитрон (диод Зенера) – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приве-

Материалы, используемые для создания p–n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в

7

Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока I вызывает малое изменение напряжения U . Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление.

Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации Iст. мин, определяе-мым началом пробоя, а сверху – мак-

симальным током стабилизации Iст. макс, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.

Стабилитрон имеет следующие основные параметры:

Напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации.

Допускаемый разброс напряжения стабилизации от номинального

ΔUст.ном – максимально допустимое отклонение напряжения стабилизации от номинального для стабилитронов данного типа.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rст – отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст – отноше-

ние относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Полная емкость стабилитрона C – емкость между выводами стабилитрона при заданном напряжении смещения.

1.2.Порядок выполнения работы

1.Исследовать вольт-амперные характеристики диода.

снять зависимость прямого тока диода I3 от напряжения E3;

8

1.7) установить Еоп = +12 В; 1.8) для трех значений напряжения Е3 0.7, 0.75 и 0.8, снять значения

прямого тока диода I3;

1.9) по полученным в пп. 1.6 и 1.7 значениям построить прямую ветвь статической вольт-амперной характеристики диода (по оси ординат Y – ток I3; по оси абсцисс X – напряжение Е3).

2. Исследовать вольт-амперные характеристики стабилитрона.

грешность не должна превышать +0.01 В), снять зависимость от него прямого тока стабилитрона I3;

2.7) по полученным значениям построить прямую ветвь статической ВАХ стабилитрона (по оси ординат Y – ток I3; по оси абсцисс X – напряжение Е3).

1.3. Требования к отчету

Отчет о лабораторной работе должен содержать: краткие теоретические сведения; описание экспериментальной установки; таблицы с результатами экспериментов; графики; выводы по работе.

Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цели работы:

1. Изучение статических вольт-амперных характеристик полупроводникового биполярного транзистора.

9