Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Полупроводниковые приборы. Лабораторный практикум

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

I. Цель работы

1. Изучить устройство, принцип действия, систему обозна-

чений, параметры и характеристики полупроводниковых диодов, их применение.

2. Экспериментально исследовать вольтамперную характе-

ристику (ВАХ) диода КД521 и рассчитать по полученной характеристике его основные параметры.

II. Подготовка к работе

1. Прочитать по теме материал, изложенный на лекциях

и в рекомендованной для самостоятельной работы литературе.

2. По настоящему руководству изучить описание данной

лабораторной работы и описание учебно-лабораторного стенда.

3. Оформить заготовку отчета по лабораторной работе. Изо-

бразить схему цепи для проведения исследований, заготовить таблицы.

4. Ответить на контрольные вопросы.

III. Теоретический материал для подготовки

и выполнения лабораторной работы

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n перехода. В самых общих чертах любой полупроводниковый диод конструктивно состоит из кристалла полупроводника, к р- и n-областям которого припаяны выводы (металлические прово- да или пластины), и герметичного корпуса, обеспечивающего защиту кристалла от воздействий окружающей среды.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

по назначению: выпрямительные, высокочастотные

и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ-диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.;

по конструктивно – технологическим особенностям: пло-

скостные и точечные;

по типу исходного материала: германиевые, кремниевые,

арсенид-галлиевые и др.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение изображено на рисунке 1.1. Буквами p и n обозначены области полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. Вывод, к которому подсоединяется "+" источника пи- тания для прямого включения перехода, называется анодом, а второй электрод катодом (по аналогии с электровакуумным диодом). Обычно концентрации основных носителей заряда (дырок в слое p и электронов в слое n) сильно различаются. Одна из областей p-n структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Электронно-дырочный переход является основным элементом полупроводниковых приборов. Он возникает в едином кристалле полупроводника при легировании его донорными и акцепторными примесями. Основные подвижные носители зарядов (электроны n-области и дырки р-области) диффундируют через границу раздела областей кристалла, причем по мере удаления от перехода их концентрация резко падает. Переходя в соседнюю область кристалла, свободные носители зарядов оставляют не скомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси, связанных с кристаллической решеткой, что приводит к возникновению в зоне перехода слоя с повышенным электрическим сопротивлением. Таким образом, на границе областей полупроводника образуются два слоя зарядов, противоположных по знаку, что приводит к возникновению электрического поля, направленного от n-области к р-области. Между этими об-

ластями устанавливается разность потенциалов, которая назы-

Анод

Катод

областьn

областьр

эммитер)

(

корпус

переходаn-р

Анод

Катод

(база)

вается контактной. Возникшее электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных подвижных носителей зарядов, создавая между р- и n-областями потенциальный барьер.

а б

Рис. 1.1. Структура полупроводникового диода

с электронно-дырочным переходом а)

и его условное графическое обозначение б)

В n-области наряду с электронами, концентрация которых определяется концентрацией донорной примеси, имеются неосновные подвижные носители – дырки. Аналогично в р-области имеются неосновные подвижные носители – электроны. Электрическое поле в р-n переходе, созданное контактной разностью потенциалов, способствует переходу неосновных подвижных носителей зарядов в соседнюю область, т.е. электронов из р-области в n-область и дырок из n-области в р-область. Под действием поля появляется дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

На рисунке 1.2 представлены структуры планарно-эпитаксиального и сплавного диодов. База и эмиттер образуют омические переходы (контакт) с электродами. К электродам подсоединены металлические выводы, посредством которых диод включается в цепь.

а б

Рис. 1.2. Структуры планарно-эпитаксиального (а)

и сплавного (б) диодов

Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольтамперная характеристика (ВАХ). В отличие от характеристики идеального p-n перехода (пунктирная кривая на рис. 1.3), характеристика реального диода (сплошная кривая на рис. 1.3) в области прямых напряжений U располагается несколько ниже из-за падения части приложенного напряжения на объѐмном сопротивлении базы диода RП RБ. С учетом сопротивления потерь, на участке RБ при малых прямых напряжениях ВАХ описывается следующим выражением:

I = I0 {exp[(U – RПI)/φТ] – 1}, (1.1)

где U – напряжение на p-n переходе, I0 – обратный (или тепловой) ток,

– тепловой потенциал, Rп сопротивление потерь.

Рис. 1.3. Вольтамперные характеристики идеального p-n перехода

и реального диода

С увеличением прямого напряжения и тока через переход, величина экспоненты в (1.1) становится много больше единицы, следовательно, единицей можно пренебречь и выражение для ВАХ примет вид:

I = I0 exp[(U – RПI)/φТ], (1.2)

Прологарифмировав (1.2), получим другую, часто употребляемую при расчетах, форму записи ВАХ:

U = φТ ln I / I0. (1.3)

Выражения (1.2) и (1.3) описывают так называемый вырожденный участок ВАХ, лежащий в окрестностях точки, разделяющей нелинейный и квазилинейный участки. Характерно, что вырожденному участку (см. рис. 1.4) соответствует прямое напряжение, близкое по величине к контактной разности потенциалов (U 

Если прямое напряжение превышает величину 



, то высота

потенциального барьера в переходе падает практически до нуля и ВАХ становится квазилинейной. Этот участок ВАХ называется омическим и описывается следующим выражением:

I = (U – К )/Rп. (1.4)

Таким образом, имея экспериментально снятую ВАХ диода, можно оценить величину, продлив прямолинейный восходящий участок характеристики до пересечения с осью U (см. рис. 1.4).

Реальный обратный ток диода I ловой ток I0. Обратный ток диода I

намного превышает теп-

обр

характеризуется суммой

обр

токов:

= I0 + Iг + Iу, (1.5)

обр

где I Iу – ток утечки.

 ток термогенерации в обратно смещенном переходе;

Рис. 1.4. К определению основных параметров

полупроводникового диода

Ток термогенерации возникает за счет нарушения равновесия между процессами генерации и рекомбинации пар носителей в запирающем слое под воздействием внутреннего поля перехода. Это поле «разводит» в разные стороны возникающие в результате термогенерации электроны и дырки, затрудняя их рекомбинацию. Так как в обратно смещенном переходе напряженность поля велика, то процесс рекомбинации практически отсутствует и переход является по существу источником подвижных носителей. Поскольку при обратном смещении переход расширяется, то процесс термогенерации идет интенсивно и может на несколько порядков превышать тепловой ток.

Ток утечки обусловлен состоянием поверхности полупроводникового кристалла, причем большую здесь роль играют так называемые поверхностные энергетические уровни, способствующие поверхностной проводимости полупроводника. Ток утечки растет при увеличении обратного напряжения.

При большом обратном напряжении U = U

напряжении

прб

пробоя (порядка нескольких вольт), величина которого зависит от концентрации примесей в полупроводнике и температуры, наступает пробой перехода.

Различают электрический пробой и тепловой пробой.

Электрический пробой может быть туннельным и лавинным. Туннельный пробой наблюдается в очень тонких р-n переходах.

В таких переходах возникает очень большая напряженность электрического поля, увеличивающая вероятность туннельных переходов электронов через тонкий потенциальный барьер без изменения их энергии (наблюдается туннельный эффект). Обратный ток при этом резко возрастает. Для выпрямительных диодов туннельный пробой является нежелательным явлением, ограничивающим амплитуду напряжения, подводимого к диоду. Однако туннельный эффект является полезным в таких полупроводниковых диодах, как стабилитроны и туннельные диоды.

Лавинный пробой возникает при толщине запирающего слоя больше средней длины свободного пробега носителей. Увеличение тока происходит из-за «размножения» носителей в сильном электрическом поле в запирающем слое при их столкновениях с атомами в узлах кристаллической решетки. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника. В результате рождается новая пара электрон дырка, и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. Ток при этом резко возрастет и ограничивается лишь внешним сопротивлением.

Оба вида электрического пробоя характерны тем, что они являются обратимыми процессами, т.е. после уменьшения обратного напряжения пробой прекращается и диод восстанавливает свое работоспособное состояние.

Тепловой пробой возникает вследствие потери устойчивости теплового режима. С увеличением обратного напряжения и тока увеличиваются мощность, рассеиваемая в переходе

рас

= I

, и его температура. Если мощность не отводить, то

обрUобр

рост температуры приводит к еще большему увеличению тока и рассеиваемой мощности. При достижении некоторой макси-

мально допустимой мощности P

рас

≥ P

процесс приобретает

max

лавинный характер и р-n переход разрушается, сопротивление току резко падает, поэтому большему току может соответствовать меньшее напряжение. Тепловой пробой является необратимым аварийным режимом и на практике не используется.

Полупроводниковые диоды отличаются друг от друга материалом полупроводника. Наиболее часто в них используют германий или кремний. Вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рисунке 1.5. При повышении температуры абсолютная величина изменения обратного тока в кремниевом диоде (рис. 1.6, а) значительно меньше, чем в германиевом (рис. 1.6, б).

Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики кремниевого

и германиевого диодов

а б

Рис. 1.6. Вольтамперные характеристики кремниевого

а) и германиевого диодов б) при изменении температуры

Выпрямительные диоды используют для выпрямления пе-

ременных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. В них используется главное свойство p-n перехода – односторонняя проводимость.

Главная особенность выпрямительных диодов большие площади p-n перехода, поскольку они рассчитаны на выпрямление больших по величине токов.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

прямой ток диода I

, который нормируется при опреде-

пр

ленном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В);

максимально допустимый прямой ток I

пр mах

диода;

максимально допустимое обратное напряжение диода

, при котором диод еще может нормально работать дли-

обр mах

тельное время;

постоянный обратной ток I

при обратном напряжении, равном U

средний выпрямленный ток I

, протекающий через диод

;

обр mах

, который может дли-

ср выпр

тельно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева;

максимально допустимая мощность P

, рассеиваемая

mах

диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода;

максимальная частота f

– наибольшая частота подво-

max

димого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (I средней мощности (0,3 А<I

ср выпр

> 10 А).

≤ 10 А) и большой мощности

ср выпр

≤ 0,3 А),

Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать +85°С (рис. 1.6, а). Кремниевые диоды могут работать при температуре до +150°С (рис. 1.6, б). Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

Выпрямительные диоды также классифицируют по частоте: низкочастотные (f

≤ 103 Гц); высокочастотные (f

тах

> 103 Гц).

тах

Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным сопротивлениями, легко определяемыми по по ВАХ.

Статическое сопротивление (Rст) численно равно отношению напряжения на элементе к протекающему через него току

= U/I.

ст

Дифференциальное сопротивление (rд) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в данном режиме работы диода rд (Ri) = dU/dI ≈ ∆U/∆I, где ∆U и ∆I – конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки ВАХ диода.

В зависимости от того, на каком участке ВАХ расположена рабочая точка, значение Rст может быть меньше, равно или больше значения rд. Однако Rст всегда положительно, в то время как rд может быть и отрицательным, как, например, в случае туннельного диода.

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть емкость диода Сд, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты:

где С

– диффузионная емкость, С

диф

емкость, С

= С

– емкость корпуса диода.

диф

+ С

+ Ск,

зар

– зарядная (барьерная)

зар

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов.

Высокочастотные (детекторные) диоды обозначаются и маркируются так же, как и выпрямительные низкой частоты. Требование по величине U

обр mах

и I

значительно ниже, чем

пр mах

в выпрямительных низкочастотных. В высокочастотных диодах стремятся получить минимальное значение собственной емкости, поскольку на достаточно высоких частотах реактивное сопротивление этой емкости имеет величину ниже, чем обратное сопротивление p-n перехода диода, т.е. эффект выпрямления

<<< < Предыдущая 12 / 92 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]