ОЕ 2014
.pdfЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 ДОСЛІДЖЕННЯ ВИПРЯМНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
Мета роботи: вивчити основні фізичні закономірності, що визна-
чають властивості та параметри германієвих і кремнієвих діодів, виміряти їх вольт-амперні характеристики (ВАХ), провести їх порівняльний аналіз.
Рекомендована література: [1–7].
Короткі теоретичні відомості
Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий прилад з одним електронно-дірковим переходом і двома зовнішніми виводами.
Класифікацію напівпровідникових діодів проводять за наступними ознаками:
–методом виготовлення переходу (сплавні, дифузійні, планарні,
точкові, діоди Шотткі та ін.);
–матеріалом (германієві, кремнієві, арсенід-галієві та ін.);
–фізичними процесами, на використанні яких заснована робота діода (тунельні, лавино-пролітні, фотодіоди, світлодіоди, діоди Ганна та ін.);
–призначенням (випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони,
детекторні, параметричні, змішувальні, НВЧ-діоди та ін.).
Випрямними називають діоди, призначені для перетворення змінної напруги промислової частоти (50 Гц або 400 Гц) в постійну. Основою діо-
да є звичайний p-n-перехід або перехід метал-напівпровідник. У практич-
них випадках p-n-перехід діода має достатню площу для того, щоб забез-
печити великий прямий струм. Для отримання великих зворотних (проби-
вних) напруг діод зазвичай виконується з високоомного матеріалу.
Основними параметрами, які характеризують випрямні діоди, є
(рис. 1.1):
–максимальний прямий струм Іпрmax ;
–падіння напруги на діоді при заданому значенні прямого стру-
му Іпр (Uпр 0,3...1 В для германієвих діодів і Uпр 0,6...1,5 В – для крем-
нієвих);
–максимально допустима постійна зворотна напруга діода
Uзвmax;
–зворотний струм Iзв при заданій зворотній напрузі Uзв (зна-
чення зворотного струму германієвих діодів на два-три порядки більше,
ніж у кремнієвих);
–бар’єрна ємність діода під час подачі на нього зворотної напру-
ги деякої величини;
– найбільша допустима потужність розсіювання – допустиме значення потужності розсіювання, при якій забезпечується задана надій-
ність при тривалій роботі діода;
–діапазон частот, в якому можлива робота діода без суттєвого зниження випрямленого струму;
–робочий діапазон температур (германієві діоди працюють в ді-
апазоні -60...+70 °С, кремнієві – в діапазоні -60...+150 °С, що пояснюється малими зворотними струмами даних діодів).
Іпр,мАUпр,BUзв,B Iзв,мкА
2
Рис. 1.1. ВАХ і основні параметри випрямних діодів Випрямні діоди зазвичай підрозділяють на діоди малої потужності
(розраховані на струм Іпр до 0,3 А), середньої (Іпр від 0,3 до 10 А) і вели-
кої (струм Іпр понад 10 А).
При протіканні великих прямих струмів Іпр і певному падінні на-
пруги на діоді Uпр в ньому виділяється велика потужність. Для відводу
даної потужності діод повинен мати великі розміри p-n-переходу, корпусу і виводів. Для поліпшення тепловідводу користуються радіаторами або рі-
зними способами примусового охолодження (повітряне або навіть водяне).
Германієві діоди. Електронно-діркові переходи більшості германіє-
вих площинних діодів формують шляхом вплавляння індію в германій з електропровідністю n-типу.
Температурна залежність прямого падіння напруги на германієвих діодах може бути різною при малих і при великих прямих струмах (рис. 1.2). При малих прямих струмах, коли майже вся зовнішня напруга прик-
ладена до p-n-переходу, пряме падіння напруги зменшується зі збільшен-
ням температури у зв’язку зі зменшенням висоти потенційного бар’єру і з
3
перерозподілом носіїв по енергіях. Тому пряме падіння напруги зменшу-
ється при збільшенні температури.
Рис. 1.2. Вольт-амперні характеристики германієвого діода при різних тем-
пературах навколишнього середовища При великих для даного діода прямих струмах пряме падіння напру-
ги може залежати від опору бази, яка збільшується зі збільшенням темпе-
ратури через зменшення рухливості носіїв заряду. Тому при великих пря-
мих струмах пряме падіння напруги на діоді може зростати.
Зворотна гілка вольт-амперної характеристики германієвих площин-
них діодів має ділянку насичення, оскільки зворотні струми германієвих діодів пов'язані в основному з процесом екстракції неосновних носіїв з ба-
зи. Допустима зворотна напруга не перевищує 400 В. Пробій германієвих діодів має тепловий характер. Тому пробивна напруга зменшується з під-
вищенням температури.
Верхня межа діапазону робочих температур германієвих діодів
(75…85 °С) визначається різким погіршенням випрямлення через зростан-
ня зворотного струму – позначається теплова іонізація атомів германію.
Нижня межа діапазону робочих температур (-60 °С) обумовлена різницею температурних коефіцієнтів розширення германію та індію: при низьких температурах виникають механічні напруження, які можуть призвести до
4
розтріскування монокристала германія.
Германієві діоди можуть бути використані для випрямлення змінно-
го струму частотою не більше 50 кГц, що пов'язано з інерційністю проце-
сів накопичення і розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі.
Для випрямлення великих напруг за відсутності високовольтних діо-
дів може бути застосоване послідовне увімкнення низьковольтних діодів.
При цьому повинні бути враховані специфічні особливості напівпровідни-
кових діодів. Діоди одного типу мають великий розмах зворотних опорів і пробивних напруг. Крім того, зворотні вольт-амперні характеристики діо-
дів по-різному можуть змінюватися при зміні температури і з часом. Все це призводить до того, що прикладена до послідовно з’єднаних діодів напруга падає в основному на діоді з великим зворотним опором.
У результаті можливий незворотній пробій. Вихід з ладу одного з ді-
одів в послідовному колі веде до пробою інших.
Для надійної роботи послідовно увімкнених германієвих діодів ре-
комендується кожен з них шунтувати резистором постійного опору з таким розрахунком, щоб розподіл напруги на діодах визначався в основному опорами шунтуючих резисторів.
Істотним недоліком германієвих діодів є те, що вони погано витри-
мують навіть дуже короткочасні імпульсні перевантаження. Визначається це механізмом пробою германієвих діодів – тепловим пробоєм, що відбу-
вається з виділенням великої питомої потужності в місці пробою.
Кремнієві діоди. Різноманітні типи кремнієвих випрямних діодів з технологічної точки зору є або сплавними, або дифузійними. Сплавні p-n-
переходи кремнієвих діодів формують у монокристалічних пластинках кремнію з електропровідністю n-типу вплавлянням алюмінію; в пластин-
ках кремнію з електропровідністю p-типу – вплавлянням сплаву золота з сурми. Дифузійні p-n-переходи формують дифузією алюмінію або бору в
5
пластини кремнію з електропровідністю n-типу і дифузією фосфору в пла-
стини кремнію з електропровідністю p-типу.
Типові вольт-амперні характеристики кремнієвого випрямного діода наведені на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Вольт-амперні характеристики кремнієвого випрямного діода при різних температурах навколишнього середовища
Кремнієві діоди різних типів розраховані на різні допустимі прямі струми – від 0,5 до 1600 А. Падіння напруги на діодах при цих струмах не перевищує зазвичай 1,5 В. Великі падіння напруги при проходженні пря-
мого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падінням напру-
ги на германієвих діодах пов’язані з більшою висотою потенційного бар’єра p-n-переходів, сформованих у кремнії.
Зі збільшенням температури кремнієвого діода пряме падіння напруги зменшується, що пов’язано зі зменшенням висоти потенційно бар'єру і з перерозподілом носіїв заряду за енергіями.
Зворотна гілка вольт-амперної характеристики кремнієвих діодів не має ділянки насичення зворотного струму, оскільки зворотний струм в кремнієвих діодах викликаний в основному процесом генерації носіїв у p- n-переході. Допустима зворотна напруга кремнієвих діодів (до 1600 В)
6
значно перевищує аналогічний параметр германієвих діодів. Пробій крем-
нієвих діодів має лавинний характер. Тому зі збільшенням температури пробивна напруга збільшується.
Верхня межа діапазону робочих температур кремнієвих діодів (приб-
лизно 125 °С) виявляється більшою аналогічного параметра германієвих діодів, оскільки ширина забороненої зони кремнію перевищує ширину за-
бороненої зони германію. Тому теплова генерація носіїв заряду в результа-
ті іонізації власних атомів напівпровідника (власна електропровідність) у
кремнієвих діодах починає позначатися при великих температурах.
Промисловість випускає кремнієві випрямні діоди малої, середньої та великої потужності, розраховані на допустимий прямий струм до декіль-
кох сотень ампер.
Контрольні питання
1.Дайте означення напівпровідникового діода.
2.За якими параметрами класифікують напівпровідникові діоди?
3.Дайте означення випрямного діода.
4.Перерахуйте основні параметри випрямних діодів.
5.Перерахуйте переваги і недоліки германієвих і кремнієвих випрямних діодів.
6.Які види пробою характерні для германієвих і кремнієвих випрямних діодів?
7.Перерахуйте методи підвищення напруги пробою випрямних діодів.
8.Чому кремнієві діоди мають великі напруги пробою і падіння напруги в прямому напрямку в порівнянні з германієвими?
9.Чим відрізняються температурні залежності ВАХ германієвих і кремніє-
вих випрямних діодів.
7
Підготовка до виконання лабораторної роботи
1. Вивчити теоретичні відомості і дати відповіді на контрольні запи-
тання.
Порядок виконання роботи
1. Зберіть схему досліджень випрямних діодів для зняття прямої гілки ВАХ германієвого діода при кімнатній температурі (рис. 1.4). При цьому перемикач П встановіть у положення 1 («Ge»), а тумблер термостата
– в положення «вимк.» (термостат Т на рис. 1.4 спрощено показаний штри-
ховою лінією). Змінюючи вхідну напругу Е, фіксуйте напругу UД на діоді і струм I через нього. Результати вимірювань занесіть у табл. 1.1.
Рис. 1.4. Схема проведення експерименту
8
Таблиця 1.1. Пряма гілка ВАХ германієвого діода
|
Е, В |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UД , |
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мВ |
вимкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
увімкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I , |
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мА |
вимкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
увімкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Зніміть зворотну гілку ВАХ германієвого діода при кімнатній температурі. Для цього змініть полярність підключення джерела живлення
(на ту, яка в дужках на рис. 1.4) і мультиметрів, що виконують функції вольтметра та амперметра. Результати вимірювань занесіть у табл. 1.2.
Таблиця 1.2. Зворотна гілка ВАХ германієвого діода
Е, В |
0 |
20 |
термостат
вимкнений
UД , мВ
термостат
увімкнений
термостат
вимкнений
I , мА
термостат
увімкнений
3.Встановіть перемикач П в положення 2 («Si»). Проведіть вимі-
рювання, аналогічні п. 1–2 для германієвого діода. Результати занесіть у
таблиці 1.3–1.4.
9
Таблиця 1.3. Пряма гілка ВАХ кремнієвого діода
|
Е, В |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UД , |
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мВ |
вимкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
увімкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I , |
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мА |
вимкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термостат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
увімкнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1.4. Зворотна гілка ВАХ кремнієвого діода |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Е, В |
0 |
|
|
|
|
|
|
20 |
термостат
вимкнений
UД , мВ
термостат
увімкнений
термостат
вимкнений
I , мА
термостат
увімкнений
4.Зніміть пряму і зворотну гілку ВАХ германієвого та кремнієво-
го діодів при температурі +50 ºС. Для цього увімкніть джерело живлення термостата, встановіть на ньому напругу 5 В, увімкніть термостат на 5–7
хвилин (тумблер «увімкн.»), після чого, вимкнувши термостат, проведіть вимірювання аналогічні п. 1–3. Результати вимірювань занесіть у табл.
10