ТТЭл ЭПУ / Labs / ТТЭ_1

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 1

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»

Студенты гр. 300		Darkholm Van
Преподаватель		Тупицин А.Д.

Санкт-Петербург

2024

Цель: изучение наиболее характерных свойств электронно-дырочного перехода при его работе в режиме выпрямления, при электрическом пробое и при возникновении туннельного эффекта.

Исходные данные:

В работе исследуется 2 полупроводниковых диода Д7Ж и КД103, а также 2 стабилитрона КС191С, Д814Д и туннельный диод АИ301Б. Справочные данные основных параметров диодов приведены в таблице 1, стабилитронов в таблице 2, туннельного диода в таблице 3.

Таблица 1 – Основные параметры исследуемых диодов

Параметры	Обозначение	Д7Ж	КД103
Максимальное постоянное обратное напряжение, В	Uобр max	400	50
Постоянный обратный ток, мкА	Iобр max	100	0.4
Постоянное прямое напряжение, В	Uпр max	0.5	1
Максимальный постоянный прямой ток, мА	Iпр max	300	100
Максимальная рабочая частота, кГц	fд	2.4	20
Рабочая температура, ℃	T	-60…+70	-60…+100

Таблица 2 – Основные параметры исследуемых стабилитронов

Параметры	Обозначение	Д814Д	КС191С
Номинальное напряжение стабилизации, В	Uст ном	13	9.1
Температурный коэффициент напряжения стабилизации, % / ℃	αUст	±0.095	±0.005
Временная нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона, %	δUст	±1	±0.02
Дифференциальное сопротивление стабилитрона, Ом	rст	18	18
Минимально допустимый ток стабилизации, мА	Iст min	3	3
Максимально допустимый ток стабилизации, мА	Iст max	24	20
Максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне, Вт	P max	0.34	0.2
Рабочая температура, ℃	T	-60…+125	-60…+100

Таблица 3 – Основные параметры исследуемого туннельного диода

Параметры	Обозначение	АИ301Б
Пиковый ток, мА	Iп	5
Отношение пикового тока к току впадины	Iп / Iв	8
Напряжение пика, В	Uп	0.18
Общая емкость перехода диода, пФ	Сд	˂25
Предельный постоянный прямой ток, мА	Iпр	1.2
Максимальная рабочая температура, ℃	T	70

Измерительная схема для исследования данных диодов и стабилитронов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Измерительная схема для исследования диодов с использованием характериографа

Результаты измерений сведены в таблицу 3 для прямого включения элементов и таблицы 4, 5, 6 для обратного включения.

Таблица 3 – Результаты измерений для прямого включения

Д7Ж	I, мА	0	0.33	0.45	0.7	1	1.2	2.6	3	3.5
	U, В	0.05	0.1	0.12	0.14	0.15	0.17	0.2	0.21	0.23
КД103	I, мА	0	0.1	0.4	1	2	5	6	8	10
	U, В	0.5	0.55	0.6	0.64	0.67	0.7	0.71	0.72	0.75
КС191С	I, мА	0	0.025	0.03	0.05	0.1	0.14	0.2	0.29	0.34
	U, В	30	35	40	42	45	47	49	50	50

Продолжение таблицы 3

Д814	I, мА	0	0.1	0.2	0.5	1	2	2.5	4	10
	U, В	0.5	0.6	0.62	0.65	0.67	0.69	0.7	0.71	0.74
АИ301Б	I, мА	0	2	4	6.4	0.5	0.52	0.9	2.7	4
	U, В	0	0.02	0.04	0.1	0.5	0.6	0.7	1	1.05

Таблица 4 – Результаты измерений для обратного включения диодов

Д7Ж	I, мА	0	-0.02	-0.025	-0.03	-0.04	-0.045	-0.05	-0.052	-0.07
	U, В	0	-25	-50	-100	-150	-200	-300	-400	-500
КД103	I, мА	0	0	0	0	-0.005	-0.01	-0.02	-0.07	-0.13
	U, В	0	-100	-200	-225	-250	-300	-320	-320	-320

Таблица 5 – Результаты измерений для обратного включения стабилитронов

КС191С	I, мА	0	-0.02	-0.1	-1	-10
	U, В	0	-7	-8.5	-9.2	-9.6
Д814	I, мА	0	0	0	-1	-10
	U, В	0	-12	-12.8	-12.8	-13

Таблица 6 – Результаты измерений для обратного включения туннельного диода

АИ301Б	I, мА	0	-2	-4	-5.5
	U, В	0	-0.02	-0.033	-0.05

Графики вольт-амперных характеристик исследованных диодов представлены на графиках 1, 2, 3, 4, 5 прямые ветви и графиках 6, 7, 8, 9, 10 – обратные ветви.

I, мА

U, В

Рисунок 1 – Прямая ветвь ВАХ диода Д7Ж

U, В

I, мА

Рисунок 2 – Прямая ветвь ВАХ диода КД103

U, В

I, мА

Рисунок 3 – Прямая ветвь ВАХ стабилитрона КС191С

I, мА

U, В

Рисунок 4 – Прямая ветвь ВАХ стабилитрона Д814Д

I, мА

U, В

Рисунок 5 – Прямая ветвь ВАХ туннельного диода АИ301Б

I, мА

Рисунок 6 – Обратная ветвь ВАХ диода Д7Ж

U, В

I, мА

Рисунок 7 – Обратная ветвь ВАХ диода КД103

I, мА

U, В

Рисунок 8 – Обратная ветвь ВАХ стабилитрона КС191С

I, мА

U, В

Рисунок 9 – Обратная ветвь ВАХ стабилитрона Д814Д

I, мА

U, В

Рисунок 10 – Обратная ветвь ВАХ туннельного диода АИ301Б

Для построения теоретических ВАХ для германиевого диода Д7Ж используется уравнение

(1)

где – ток насыщения обратносмещенного перехода;

q – заряд электрона, q = 1.6·10^-19 Кл;

k – постоянная Больцмана, k = 1.38·10^-23 Дж/К;

Т – температура.

Формула (1) показывает зависимость тока через диод I, от напряжения, приложенного к диоду U. Величина называется тепловым потенциалом и определяет контактную разность потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения.

Обратный ток практически не зависит от величины обратного напряжения, однако зависит от температуры, так как влияет на концентрацию неосновных носителей заряда, которыми и определяется обратный ток, такой называют тепловым. В германиевых диодах преобладает именно тепловой ток, в кремниевых обратный ток, определяется преимущественно током генерации носителей в объеме обедненной области. В общем случае обратный ток является суммой тока генерации и теплового тока.

Величина является по сути обратным током, мало зависящим от напряжения, то есть током насыщения, в частности для диода Д7Ж, являющимся германиевым является тепловым током насыщения.

По рисунку 6 можно определить, что ток равен 0.05 мА, потому что на этом участке ток слабо зависит от напряжения. Расчет проводится при температуре Т = 300 К, в процессе работы температура увеличивается.

Тогда зависимости тока от напряжения для диода Д7Ж

(2)

Теоретическая ВАХ диода Д7Ж представлена на рисунке 11.

U, В

I, мА

Рисунок 11 – Теоретическая ВАХ германиевого диода Д7Ж

Для построения теоретических ВАХ туннельного диода АИ301Б используется уравнение

(3)

где – пиковый ток;

– напряжение при пиковом токе.

Пиковый ток и соответствующее ему напряжение в формуле (3) определяют такое состояние p-n перехода, при котором, заполненный электронами потолок зоны проводимости полупроводника n-типа оказывается на одном уровне с пустым дном зоны проводимости в полупроводнике p-типа, при таком состоянии вероятность туннелирования электрона максимальная, соответственно и туннельный ток максимален.

По рисунку 5 можно определить, что пиковый ток 6.4 мА, напряжение при этом 0.1 В.

Тогда зависимости тока от напряжения для туннельного диода

(4)

I, мА

Теоретическая ВАХ диода Д7Ж представлена на рисунке 12.

U, В

Рисунок 12 – Теоретическая ВАХ туннельного диода АИ301Б

Статическое сопротивление стабилитронов находится по формуле

(5)

Статическое сопротивление определяет потери диода в рабочей точке, и находится как отношение напряжения стабилизации к току соответствующему этому напряжению.

Положение рабочей точки вычисляется как середина приращения напряжения на рабочем участке к среднему значению тока, соответствующего этому приращению. для КС191С измерялось непосредственно с помощью характериографа, интервал напряжения изображен на рисунке 13. Напряжение стабилизации при этом равно

(6)

где – напряжение начала рабочего участка, то есть пробоя.

Положение рабочей точки, напряжение и ток для КС191С, определяются по графику обратной ветви ВАХ рисунок 13.

I₁ = 1 мА

I₂ = 10 мА

I_ст

U, В

I, мА

Рисунок 13 – Определение средних значений напряжения и тока стабилизации

Для стабилитрона Д814Д измерялось непосредственно с помощью характериографа, интервал напряжения изображен на рисунке 14. Н

Положение рабочей точки, напряжение и ток для Д814Д, определяются по графику обратной ветви ВАХ рисунок 14.

U_проб

I_ст

U_ст

U, В

I, мА

Рисунок 14 – Определение средних значений напряжения и тока стабилизации

Динамическое сопротивление характеризует качество стабилизации, то есть чем меньше меняется напряжение на стабилитроне при изменении тока в широких пределах, тем лучше стабилизация, соответственно тем меньше

Находится динамическое сопротивление как приращение напряжения на рабочем участке , к приращению тока, соответствующего этому напряжению

(7)

Для КС191С изображено на рисунке 13, при этом соответствует разнице .

Для Д814Д изображено на рисунке 14, при этом также соответствует разнице .

Как видно из расчета КС191С обладает большим дифференциальным сопротивлением, чем Д814Д, значит Д814Д обладает более качественной стабилизацией, однако потери диода в рабочей точке, определяемые статическим сопротивлением у Д814Д немного выше.

ВЫВОД: в результате выполнения лабораторной работы были получены вольт-амперные характеристики 2 диодов Д7Ж и КД103, а также 2 стабилитронов КС191С, Д814Д и одного туннельного диода АИ301Б.

По полученным характеристикам диодов можно сказать, что диод Д7Ж обладает гораздо большим обратным током в обратном подключении, в отличие от КД103, у которого значительный рост обратного тока наблюдается только при напряжениях свыше 250 вольт, это связано с тем, что в кремниевой структуре гораздо меньшая концентрация неосновных носителей заряда. Кроме того, диод Д7Ж германиевый, по прямой ветви видно, что он открывается при меньшем напряжении, так как высота потенциального барьера в германиевом p-n переходе составляет порядка 0.2 – 0.3 В, а в кремниевом 0.6 – 0.7 В.

Стабилитроны имеют вольт-амперную характеристику аналогичную вольт-амперной характеристике выпрямительных диодов. Отличия наблюдаются в значениях, у выпрямительных диодов полупроводниковая структура рассчитана на гораздо большее обратное напряжение (сотни вольт), в то время как у стабилитронов это напряжение в районе 10 В. Причина в том, что рабочая область диодов – прямая ветвь, для стабилитронов - обратная.

По анализу стабилитронов можно сказать, Д814Д обладает более качественной стабилизацией.

Сравнивая теоретическую и экспериментальную ВАХ германиевого диода Д7Ж можно сказать, что на теоретической зависимости в области напряжений обратного смещения не отображается наступление какого – либо из видов пробоя, при достижении определенного напряжения может наступить пробой и ток через диод резко увеличится. В области напряжений прямого смещения экспериментальная характеристика более прижата к оси напряжения, то есть на теоретической зависимости напряжение прямого смещения, при котором диод открывается меньше, чем на экспериментальной. Объясняется это тем, что теоретическая зависимость строилась для некоторой постоянной температуре (300 К), но в реальности при протекании тока через диод температура увеличивается и характеристика может либо прилегать к оси напряжений, либо к оси токов. Это зависит от величины прямого тока через диод. Если прямой ток не превышает некоторого значения называемого точкой инверсии, то напряжение падает на сопротивлении самого перехода – обедненной области, и как известно повышение температуры увеличивает подвижность носителей, тем самым сопротивление запорного слоя уменьшается, как следствие уменьшается напряжение открытия диода и прямая ветвь прижимается к оси тока. Но если прямой ток превышает точку инверсии, то напряжение на диоде определяется сопротивлением нейтральных областей полупроводника, и зависимость напряжения от температуры становится положительной. Прямая ветвь прижимается к оси напряжений.