m12

ратный ток идеализированного диода равен IS и не зависит от напряже-

ния. Поэтому величину IS еще называют обратным током насыщения.

Важной особенностью вольтамперной характеристики идеализированного диода является очень крутая (экспоненциальная) прямая ветвь. Поэтому в качестве аргумента удобнее задавать ток и пользоваться выражением:

Тепловой ток кремниевых диодов значительно меньше, чем у германиевых, так как концентрация неосновных носителей у кремния существенно меньше, чем у германия при той же температуре. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны кремния больше по сравнению с германием. По той же причине падение напряжения на переходе при прямом его включении выше у кремниевых диодов.

Вольтамперная характеристика диода отличается от характеристики идеализированного диода. Отличия обратной ветви характеристики связаны с процессами термогенерации носителей заряда в области перехода, поверхностными утечками, а также с явлениями пробоя перехода. Обратные ветви характеристик германиевого и кремниевого диодов приведены на рис. 2.9.

У германиевого диода обратный ток определяется тепловым током IS и током утечки. Ток термогенерации в этом случае пренебрежимо

мал по сравнению с током IS . У кремниевого диода пренебрежимо

мал тепловой ток.

Поэтому обратный ток диода определяется главным образом током утечки и током термогенерации. При увеличении обратного напряжения выше некоторой величины наблюдается резкое увеличение тока, носящее название пробой перехода.

Взависимости от причин, вызывающих появление дополнительных носителей заряда, различают туннельный, лавинный и тепловой пробой.

Воснове туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т. е. переход носителей в смежный слой, не преодолевая потенциального барьера. Туннельный пробой развивается в узких p–n-переходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении имеется высокая напряженность поля. Узкий p-n-переход присущ сильно легированным полупроводникам.

71

ке экспоненциальная характеристика вырождается почти в линейную зависимость.

Кроме активного сопротивления полупроводниковый диод имеет емкость p–n-перехода, состоящую из двух слагаемых: барьерной емкости и диффузионной. Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточением по обе стороны границы раздела p- и n-слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примесей. Барьерная емкость возрастает с уменьшением толщины p–n-перехода, т. е. при снижении обратного напряжения. Барьерная емкость гораздо выше при прямом включении диода, чем при обратном его включении. Величина барьерной емкости зависит также от площади p–n-перехода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения используется в варикапах, применяемых в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.

При прямом напряжении на диоде к барьерной емкости добавляется еще диффузионная емкость. В отличие от барьерной емкости, определяемой шириной области объемного заряда p–n-перехода, диффузионная обусловлена изменением суммарных зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева и справа от p–n- перехода в результате изменения напряжения на нем. Эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) носителей через p–n-переход. Поэтому она существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве инжектируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n и p областях. Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через p–n- переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофарад, т. е. она существенно больше барьерной емкости.

Таким образом, при прямых напряжениях емкость p–n- перехода определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратных напряжениях, когда диффузионная емкость равна нулю, барьерной.

Наличие емкости p–n-перехода оказывает существенное влияние на выпрямительные свойства диодов при их работе на повышенных частотах. В полупроводниковых диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока. Эти импульсы возникают по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения возникает импульс тока, заряжающего барьерную емкость p–n-перехода. Во-вторых, при обратном напряжении происходит рассасывание неосновных носителей, накопившихся в n и p областях. Эти носители во

73

время прохождения прямого тока инжектируются через переход и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n и p областях. При обратном напряжении начинается процесс рассасывания, т. е. электроны начинают двигаться из p области в n область, а дырки из n области в p область. В результате возникает импульс обратного тока. Когда закончится процесс рассасывания носителей и завершится заряд барьерной емкости, через p–n- переход будет протекать лишь ничтожно малый обратный ток.

На низкой частоте для каждого момента времени изменения синусоидального напряжения переходные процессы, связанные с рекомбинацией, успевают установиться. Ток диода протекает практически только в первом полупериоде.

На повышенной частоте выпрямляющие свойства p–n-перехода ухудшаются. При таких частотах дырки, инжектированные в n базу за положительный полупериод, не успевают полностью рекомбинировать в базе. Во время отрицательного полупериода часть накопленных в n базе дырок рекомбинируют, а часть уходит в p область, создавая всплеск обратного тока. Далее обратный ток спадает, стремясь к своему стационарному значению. На очень высоких частотах заряд дырок, введенных в n базу за положительный полупериод, полностью выводится во внешнюю цепь за отрицательный полупериод, и диод теряет выпрямительные свойства.

Полупроводниковые диоды широко применяются для выпрямления переменного тока (выпрямительные диоды), для детектирования высокочастотных колебаний (высокочастотные диоды), для стабилизации напряжения (стабилитроны), для модуляции высокой частоты (варикапы), для преобразования формы импульсов (импульсные диоды), для генерации колебаний (туннельные диоды) и др.

Довольно часто на практике для получения стабильного опорного напряжения используются стабилитроны. В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p–n-переходе при лавинном или туннельном пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на p– n-переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока. Участок 1–2 на рис. 2.10 является рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона.

74

ких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

3.ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

КВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

3.1.Ознакомиться с основными параметрами выпрямительных диодов малой мощности Д7Ж, Д226, импульсного диода Д220, стабилитронов Д814А и Д814Д.

3.2.Собрать схему измерения для снятия прямых ветвей вольтамперной характеристики диодов по рис. 3.1. Установить диод Д226 и снять его прямую ветвь. Снимая прямую ветвь ВАХ, необходимо изменять в допустимых пределах ток через диод и производить измерение падения напряжения на диоде. Начальный участок характеристики (до токов 10–20 мА) необходимо снимать особенно тщательно. Далее можно задавать значение тока анода через 20 мА.

3.3.Собрать схему для снятия обратных ветвей ВАХ (рис. 3.2) и снять обратную ветвь диода. При этом сначала устанавливается напряжение, а затем производится отсчет тока. Начальный участок характеристики (до 60 В), снимается через каждые 10–20 В. Далее напряжение может меняться через 50 В до максимального значения.

3.4.Повторить пункты 3.2 и 3.3 для диода Д7Ж. Измерение обратной ветви при напряжении свыше 30В следует производить оперативно, чтобы исключить дрейф обратного тока за счет разогрева диода.

3.5.Установить стабилитрон Д814А в схему рис. 3.1 и снять прямую

ветвь.

3.6.Переключить полярность источника Е2 (25 В) и снять обратную ветвь. Начальный участок ВАХ до тока 4 мА снимать с дискретностью 0,3–0,6 мА. Далее ток менять через 4 мА до максимального значения

20 мА.

3.7.Повторить пункты 3.5 и 3.6 для стабилитрона Д814Д.

3.8.Собрать схему однополупериодного выпрямителя с использованием диода Д226 (рис. 3.3).

Установить напряжение на выходе генератора Г3-102 10 В и поддерживать его постоянным (в генераторе должна быть включена внутренняя нагрузка 600 Ом).

Изменяя частоту от 50 Гц до 200 кГц, снять зависимость выпрямленного напряжения от частоты. Зарисовать осциллограммы выпрямленного напряжения на частотах 1 кГц и 200 кГц.

3.9.Установить вместо Д226 диод Д220 и повторить пункт 3.8.

76

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1.Привести основные справочные данные исследуемых приборов, схемы измерений, таблицы полученных данных, осциллограммы напряжений.

Рис. 3.1

Рис. 3.2

Рис. 3.3

4.2. Построить в одних координатах ВАХ диодов Д7Ж и Д226, выбрав соответствующие масштабы для прямой и обратной ветвей. (На прямой ветви ток в мА, напряжение в долях вольт, а на обратной – ток в мкА, напряжение в десятках вольт).

Объяснить, какими причинами определяется различие в ВАХ этих типов диодов?

77

4.3. Построить в одних координатах ВАХ стабилитронов Д814А и Д814Д.

Рассчитать динамические сопротивления и определить напряжения стабилизации обоих стабилитронов при токе стабилизации

10 мА.

Указать на ВАХ стабилитронов минимальный и максимальный ток стабилизации.

Объяснить, чем определяется различие в напряжениях стабилизации и динамических сопротивлениях обоих типов стабилитронов?

4.4.Сравнить прямые ветви ВАХ диода и стабилитронов, составив таблицу падений напряжений при одинаковых значениях прямых токов. Чем определяется сходство и различие прямых ветвей ВАХ этих приборов?

4.5.Построить частотную характеристику выпрямленного на-

пряжения Uн.ср F( f ) для диодов Д226 и Д220. Используя снятые

осциллограммы выпрямленного напряжения на частотах 50 Гц и 200 кГц, объясните отличие частотных характеристик для указанных типов диодов.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.В чем сущность собственной и примесной проводимости полупроводниковых материалов?

5.2.Каково влияние температуры на проводимость собственных и примесных полупроводников?

5.3.Каков механизм образования электронной и дырочной проводимости?

5.4.Что такое p–n-переход и как он создается?

5.5.Чем определяются вентильные свойства р–n-перехода?

5.6.Что понимают под «шириной p-n-перехода» и от чего она

зависит?

5.7.Каковы различия у вольтамперных характеристик реального и идеализированного диода?

5.8.Какие виды пробоя p–n-перехода вы знаете?

5.9.Чем определяются частотные свойства диода?

5.10.Какие типы полупроводниковых диодов вы знаете, и в чем выражаются их основные отличия?

5.11.Какие вы знаете, основные параметры полупроводниковых диодов и от чего они зависят?

78

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа действия биполярных транзисторов, экспериментальное определение статических вольтамперных характеристик, исследование зависимости коэффициента передачи тока от уровня инжекции и исследование влияния схемы включения базовой цепи на начало пробоя коллекторного перехода.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, является управляемым элементом, который нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два p–n- перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p–n–p и n–p–n. Упрощенные структуры транзисторов и их условные графические изображения представлены на рис. 2.1, а, б.

Название прибора "транзистор" составлено из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. Термин "биполярный" отражает тот факт, что ток через транзисторную структуру и усиление сигнала обусловлены движением носителей заряда обоих типов – электронов и дырок.

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии. Транзисторная структура типа p–n–p, выполненная по сплавной технологии, показана на рис. 2.2. Пластина полупроводника n-типа является основанием конструкции и поэтому называется базой. Один внешний слой называется эмиттером, другой – коллектором. Так же называются и p–n-переходы, создаваемые этими слоями со слоем базы и внешние выводы от этих слоев.

Функция эмиттерного перехода – инжектирование носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллекто-

79

ром, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода.

Рис. 2.1

В транзисторах типа n–p–n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа p–n–p – это дырки, в приборах типа n–p–n – электроны. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородна (т. е. примесь в базе распределена равномерно), то движение носителей в ней чисто диффузионное.

Рис. 2.2

Если база неоднородная, то появляется внутреннее электрическое поле (оно ускоряет носители заряда, инжектированные эмиттером), и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми (или диффузионными), а с неоднородной базой дрейфовыми.

80