ТТЛ2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЁТ по лабораторной работе № 2 по дисциплине «Твердотельная электроника» Тема: Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов

Студентка гр. 1283 ____________________ Григорьева В.В. Преподаватель __________________________ Никонова В.А.

Санкт-Петербург 2024

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

ЦЕЛЬ: экспериментальное исследование ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных диодов, а также выпрямительных свойств в зависимости от частоты переменного сигнала и температуры.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах чаще всего используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).Образование p-n-перехода на границе p- и n-областей полупроводника происходит вследствие диффузии электронов и дырок из-за разницы в концентрации одного типа носителей по обе стороны этой границы.

Основным процессом образования обратного тока через диод, изготовленный из материала с небольшой шириной запрещённой зоны (Ge), является экстракция носителей заряда. Основным процессом образования обратного тока через диод, изготовленный из материала с большой шириной запрещённой зоны (Si), является тепловая генерация носителей в p-n-переходе.

Работа выпрямительного диода основана на том, что его прямой ток значительно больше обратного. Ухудшение выпрямляющих свойств диода на высокой частоте связано с быстрым переключением p-n-перехода с прямого включения в обратное.

СХЕМА УСТАНОВКИ

Лабораторная установка включает в себя:

Осциллограф С1-83, G – генератор, R – резистор, VD – диод, Генератор звуковых частот ГЗ-102, V - вольтметр постоянного тока.

Рисунок 1 – Схема установки для исследования

выпрямительных диодов

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Построение ВАХ германиевого и кремниевого диодов при прямом смещении:

Определили масштабы для осей напряжений и токов:

R_пр = 1 Ом, R_обр = 5 кОм

,

Это подойдёт для всех кроме ВАХ германиевого диода, для которого при повышенной температуре при обратном смещении:

Рисунок 2 – Прямая ветвь ВАХ для кремниевого диода без нагрева и при повышении температуры	Рисунок 3 – Прямая ветвь ВАХ для германиевого диода без нагрева и при повышении температуры

2. Построение ВАХ германиевого и кремниевого диодов при обратном смещении:

Рисунок 4 – Обратная ветвь ВАХ для кремниевого диода без нагрева и при повышении температуры	Рисунок 5 – Обратная ветвь ВАХ для германиевого диода без нагрева и при повышении температуры

Провели расчёт статического сопротивления диодов в прямом и обратном направлениях для двух значений токов и напряжений:

Таблица 3. Значения токов и напряжений при прямом включении

	Кремниевый диод					Германиевый диод
	Imax, мА	U, В	Imax / 2, мА	U, В	Imax, мА		U, В	Imax / 2, мА	U, В
Т = 24 ºС	30	1,3	15	1,1	32		0,8	16	0,6
Т = 45 ºС	30	1,2	15	1	32		0,6	16	0,5

Таблица 4. Значения токов и напряжений при обратном включении

	Кремниевый диод				Германиевый диод
	Umax, В	I, мкА	Umax / 2, В	I, мкА		Umax, В	I, мкА	Umax / 2, В	I, мкА
Т = 24 ºС	4,4	1,2	2,2	0,8		4,9	4,6	2,45	4,6
Т = 45 ºС	4,4	1,6	2,2	1,2		4,9	38	2,45	38

Рассчитали статическое сопротивление из закона Ома:

Таблица 5. Значения статического сопротивления диодов

Значение параметра (I или U) из таблиц 3-4	Кремниевый диод					Германиевый диод
	T1 =24 ºС		T3 =45 ºС		T1 =24 ºС			T3 =45 ºС
	Rпр, Ом	Rобр, кОм	Rпр, Ом	Rобр, кОм		Rпр, Ом	Rобр, кОм		Rпр, Ом	Rобр, кОм
max	43,33	3666,67	40	2750		25	1065,22		18,75	128,95
max/2	73,33	2750	66,67	1833,33		37,5	532,61		31,25	64,47

Пример расчёта для кремниевого диода при T₁ =24 ºС:

3. Построение частотной зависимости выпрямительного напряжения в логарифмическом масштабе:

Рисунок 5 – Осциллограмма тока на частоте 0,3 кГц

Рисунок 6 – Осциллограмма тока на частоте 3 кГц

Рисунок 7 – Осциллограмма тока на частоте 30 кГц

Таблица 6. Исследование частотной зависимости выпрямительных свойств диода

f, кГц	0,03	0,1	0,3	1	3	10	30	100	200
U, В	3,8	3,8	3,8	3,8	3,7	3,4	2,4	1,6	1,2

Рисунок 8 – Частотная зависимость выпрямленного напряжения

По графику частотной зависимости определили, что выпрямительные свойства диода не изменяются до частоты f = 30 кГц.

4. Оценка ширины запрещённой зоны германия:

U = 2,45 В

при Т₁ = 24ºС = 297К и Т₂ = 45 ºС = 318 К:

I₁ = 4,6 мкА, I₂ = 38 мкА

Формула для определения ширины запрещённой зоны:

ВЫВОД:

Ширина запрещённой зоны у германия при абсолютном нуле 0,785 эВ. Она уменьшается с ростом температуры по следующей закономерности^[1]:

∆Е = 0,785 – 3,5⋅10^{– 4}⋅Т [эВ]

Для комнатной температуры и после нагрева получаем соответственно 0,68 эВ и 0,67 эВ. Относительная погрешность измерений получилась 22%.

Полупроводниковый диод предназначен для преобразования переменного сигнала в постоянный. На рисунках 5-7 представлены результаты исследования качества работы диода на разных частотах, по которым видно, что на частоте 30 кГц диод начинает терять свои выпрямительные свойства. Эта критическая частота также обозначена на частотной зависимости выпрямительного напряжения (рисунок 8). Ухудшение частотных свойств происходит из-за очень быстрого переключения p-n-перехода с прямого на обратный и наоборот. Неосновные носители заряда, появляющихся за счёт инжекции при прямом включении, начинают давать большие значения обратных токов.

Образование p-n-перехода на границе p- и n-областей полупроводника происходит вследствие диффузии носителей заряда (электронов и дырок) из-за разницы в концентрации одного типа носителей по обе стороны этой границы. Тогда увеличение концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях приведёт к увеличению концентрации основных носителей заряда n_n0, p_p0, разности концентраций возрастут, и больше будет контактная разность потенциалов. При увеличении температуры если примеси полностью ионизированы, концентрации основных носителей заряда практически не изменятся, но существенно возрастёт концентрация неосновных носителей p_n0, n_p0 за счёт увеличения ионизации собственных атомов. Это объясняет, что при увеличении температуры уменьшается значение напряжений при исследовании прямых ветвей для обоих диодов (рисунки 2, 3).

Прямой ток появляется за счёт основных носителей заряда. Их в несколько раз больше, чем неосновных. При обратной включении для ОНЗ появляется барьер, будет малый ток неосновных НЗ. При построении ВАХ у нас так и получилось, обратный ток меньше прямого для обоих выпрямительных диодов.

При увеличении температуры обратные токи растут для обоих диодов (рисунок 4 и 5), причём у германия значение увеличивается на порядок. . В германиевом диоде обратные токи образуются за счёт тепловой генерации нОНЗ в областях, прилегающих к p-n-переходу. В кремниевом диоде обратные токи образуются за счёт лавинной генерации нОНЗ непосредственно в p-n-переходе. Значения обратного тока для германия при комнатной температуре получились выше, чем для кремния.

Современный выпрямительный диод^[2]:

Рассмотрим диод выпрямительный КД520А [2Д520А].

Рисунок 9 – Изображение реального выпрямительного диода

Рисунок 10 – Схема диода

Диод КД520А кремниевый, эпитаксиально-планарный, импульсный. Предназначен для применения в импульсных устройствах. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами.

Полярность диода обозначается жёлтой точкой на корпусе вблизи положительного (анодного) вывода. Тип диода приводится на дополнительной таре. Масса диода не более 0,035 г.

Таблица 7. Параметры выпрямительного диода КД520А, [2Д520А][3]
Предельные значения параметров при Т=25° С	Uобр max, В			15
	Uобр,и max, В			25
	Iпр max, мА			20
	Iпр, и max, А при tи, мкс	Iпр,и max	0,05
		tи	10
	fmax, МГц			0,005
Значения параметров при Т=25° С	Сд, пФ при Uобр, В	Сд	3
		Uобр	5
	Uпр(Uпр,и), В при Iпр, мА (А)	Uпр (Uпр,и)	1
		Iпр	20
	Iобр, мкА (при Uобр max)			1
Тк max, ° С				100

Схема включения:

Рисунок 11 – Однополупериодный (а) и двухполупериодный (б) выпрямители на диодах

Таблица 8.Сравнение характеристик современного и исследуемого приборов
Предельные значения параметров при Т=25° С		Современный КД520А	Исследуемый кремниевый
	Uобр max, В	15	4,4
	Iпр max, мА	20	30
	fmax, МГц	0,005	0,03
	Iобр, мкА (при Uобр max)	1	1,2

Получаем, что у современного диода выигрываем по максимальному обратному напряжению. Остальные показатели получились лучше у исследуемого кремниевого диода.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Morin, F.J. Conductivity and Hall effect in the intrinsic range of germanium / F.J. Morin, J.P. Maita // Physical Review.–1954.–V.94, №6. P. 1525 – 1529

2. Сайт интернет-магазина приборов микроэлектроники // «ЧИП и ДИП» URL: https://www.chipdip.ru/product0/8008750902

3. Сайт о радиокомпонентах // РАДИОСВАЛКА: Схемы, справочники, статьи, советы URL: https://radiosvalka.narod.ru/spravka/diodes/d_un_imp2.htm