Лаба 3

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Кафедра «Электроники»

Отчет по лабораторной работе №3

по дисциплине “Электроника” на тему:

“ Полупроводниковые диоды и их компьютерные модели ”

Вариант №4

Выполнили студенты группы БИК2406: Епланов Р.

Проверили: Ивашов В.В., Пресняков С.А.

Москва, 2025г.

1. Цель работы

Целью работы является изучение особенностей полупроводниковых диодов различных типов и их компьютерных моделей различной степени сложности и точности.

Теоретическая часть

Простейшей компьютерной моделью полупроводникового диода является электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность и другие важные свойства реальных диодов.

Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (так называемая «теоретическая» или «идеализированная» вольт-амперная характеристика (ВАХ):

Диод при этом моделируется, как зависимый источник, зависимость тока I которого от приложенного напряжения V описывается выражением (1). Здесь I₀ – ток насыщения – главный параметр диода, определяющийся размерами, особенностями конструкции, типом полупроводника; VT – термический потенциал kT/q. График такой ВАХ представлен на рис. 1, кривая 1.

Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов (рис. 1, кривая 2). Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (1), поведение диода не зависит от частоты и времени, т.е. частотные и импульсные свойства полагаются идеальными. Поэтому при моделировании электронных схем используются более совершенные модели. Главными требованиями при этом являются обеспечение достаточной точности и в тоже время достаточной простоты в математическом смысле. В противном случае при разработке сложных электронных устройств, например интегральных схем для компьютеров, включающих сегодня миллиарды р-n и подобных переходов, разработчикам не хватает ресурсов даже суперкомпьютеров.

На рис. 2 приведена ВАХ более сложной и точной модели. Диод также представляется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Уравнение (2) описывает участок пробоя, уравнение (4) – линейную часть ВАХ при прямом напряжении. Уравнение (3) – уравнение Шокли, которое хорошо описывает среднюю часть ВАХ диода.

Частотные и импульсные свойства диода учитываются введением в эквивалентную схему емкости диода С, а наклон допробойной части ВАХ достигается введением в схему сопротивления утечки RL.

Максимальное совпадение ВАХ модели с ВАХ реального диода или перехода достигается нахождением точных значений параметров модели. Например, параметр BV определяет напряжение пробоя, а параметры RZ и RS–наклон участков пробоя и линейной зависимости тока от прямого напряжения соответственно. Существуют многочисленные библиотеки параметров моделей выпускаемых промышленностью диодов и других элементов, без которых моделирование и разработка электронных устройств невозможна.

В данной модели сильная и сложная зависимость тока насыщения I0 от

температуры T учитывается соотношением:

Модель включает следующие параметры:

IS – saturation current – ток насыщения (тепловой ток) при Т_комн;

BV – reverse breakdown “knee” voltage – напряжение пробоя;

RS – series resistance – минимальное сопротивление открытого состояния (сопротивление базы);

CJ0 – zero-bias junction capacitance (depletion capacitance) – барьерная емкость при нулевом напряжении;

RL – junction leakage resistance – сопротивление утечки;

EG – energy gap – ширина запрещенной зоны;

M – junction grading coefficient – показатель степени в выражении для барьерной емкости;

VJ – junction potential – контактная разность потенциалов;

TT – transit time – среднее время жизни (время пролета) неосновных носителей в области базы;

RZ – Zener resistance – дифференциальное сопротивление на участке пробоя;

VC, IC – примерные координаты точки на прямой ветви, где экспоненциальная зависимость переходит в линейную.

2. Результат выполненной работы

Необходимо вести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта. В нашем случае данные соответствуют варианту 4.

№. вар.	Тип металла (работа выхода, , эВ)
4	1N4148

Таблица 1 – исходные данные

Рисунок 1 — обозначение в программе Micro -Cap

Определение типа перехода и назначение диода

Для кремниевых p-n переходов характерна ширина запрещенной зоны EG = 1,11 эВ, для арсенид-галлиевых – EG = 1,3 эВ, для метало-полупроводниковых переходов Шотки – EG = 0,6 эВ и менее.

В нашем случае в диоде 1N4148 наблюдается кремниевый p-n переход, так как EG = 1,11 эВ.

Так как диоды с ёмкостью CJO = 2 пФ и менее предназначены для высокочастотной работы, то диод 1N4148 с ёмкостью CJO = 1.337 пФ, будет высокочастотным.

На рисунке 2 представлены основные параметры диода 1N4148.

Рисунок 2 – Окно параметров диода 1N4148 в Micro-Cap

Вольтамперная характеристика

Рисунок 3 – График прямой ветви вольтамперной характеристики при T=27°C

Рассчитаем тепловую мощность. Для этого нам необходимо перемножить максимальное значение тока и напряжения, которые указаны на рисунке 3.

Вт

Определим класс мощности:

Класс мощности: среднемощный диод.

На рисунке 3 приведена зависимость прямого тока диода 1N4148 от приложенного к нему напряжения при комнатной температуре 27 °C. Из графика видно, что при малых напряжениях (до ≈ 0,5 В) ток практически отсутствует, а начиная с ≈ 0,6–0,7 В наблюдается резкий экспоненциальный рост тока — диод переходит в проводящее состояние. Такое поведение соответствует теоретической экспоненциальной ВАХ диода по формуле Шокли и подтверждает наличие кремниевого p–n перехода.

Рисунок 4 – График прямой ветви вольтамперной характеристики при T=27°C и T=57°C

На рисунке 4 показано изменение прямой ветви ВАХ при повышении температуры. При T = 57 °C токи во всех точках характеристики выше, чем при 27 °C. Это объясняется тем, что с увеличением температуры снижается потенциальный барьер p–n перехода и растёт ток насыщения Iₛ. Следовательно, ток открытого диода возрастает при нагреве, что необходимо учитывать при расчётах тепловых режимов работы диодов.

Рисунок 5 – График части обратной ветви ВАХ, соответствующая участку пробоя при температуре T=27°C

На рисунке 5 показана обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода 1N4148 при температуре 27 °C. При малых отрицательных напряжениях ток остаётся очень малым (ток утечки). При достижении определённого значения обратного напряжения наблюдается резкий рост тока — начинается область электрического пробоя.

Рисунок 6 – График части обратной ветви ВАХ, соответствующая участку пробоя при температуре T=27°C и T=57°C

На рисунке 6 приведены обратные ветви ВАХ при двух температурах. С повышением температуры видно, что напряжение пробоя уменьшается, а обратный ток возрастает. Это объясняется усилением генерационно-рекомбинационных процессов и ростом концентрации носителей заряда при нагреве. Таким образом, при увеличении температуры диод становится более подверженным пробою.

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы была изучена работа полупроводникового диода и его компьютерная модель в среде Micro-Cap 12.

Были получены и проанализированы прямые и обратные ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода 1N4148 при различных температурах.

Экспериментально подтверждено, что при прямом смещении ток возрастает экспоненциально, а при обратном — остаётся малым до наступления области пробоя.

Показано, что с повышением температуры ток открытого диода увеличивается, а напряжение пробоя уменьшается, что связано с уменьшением потенциального барьера и ростом тока насыщения.

Рассчитанная тепловая мощность позволила отнести исследуемый диод к среднемощным.

В результате работы были закреплены знания о физических процессах в p–n переходе, о температурных зависимостях характеристик диодов и о методике исследования их ВАХ с использованием компьютерного моделирования.