Лабораторная работа № 1

Исследование параметров и характеристик диодов и стабилитронов

Цель работы: закрепить теоретические знания о диодах и стабилитронах; научиться рассчитывать и измерять токи, напряжения и сопротивления диодов и стабилитронов; экспериментально получить вольтамперные характеристики диода и стабилитрона; исследовать стабилизирующие свойства стабилитрона.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за четыре часа аудиторных занятий.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. P-n-переход в состоянии равновесия

Электронно-дырочный, или p-n-переход, – область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, рисунок 1.

Такой переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных технологических операций. Возможны различные исполнения p-n-перехода, отличающиеся: резкостью и уровнем изменения концентраций доноров и акцепторов на границе перехода, размером и формой самого перехода, а также наличием каких-либо неоднородностей в переходе. Все эти факторы оказывают существенное влияние на свойства p-n-перехода и используются для придания реальным полупроводниковым приборам тех или иных характеристик.

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток I_диф – носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, созданный оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, созданный положительными ионами донорной примеси. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны пространственного заряда противоположного знака. Этот слой и представляет собой собственно р-n-переход, рисунок 1.

Рисунок 1 – p-n-переход в состоянии равновесия

Между зонами пространственного заряда противоположного знака возникает диффузионное электрическое поле Е_диф, созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов между p- и n-областями U_к, называемая контактной. За пределами области объемного заряда полупроводники p- и n-типа остаются электрически нейтральными. Разность потенциалов между p- и n-областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта.

Величина контактной разности потенциалов на переходе определяется отношением концентраций носителей зарядов одного знака в p- и n- областях полупроводника. Ширина слоя объемных зарядов, так называемый запирающий слой, в p- и n-областях обратно пропорциональна концентрациям примесей в этих областях, т.е. в несимметричном переходе запирающий слой расширяется в область с меньшей концентрацией примеси. Удельное сопротивление полупроводника в области запирающего слоя существенно выше удельного сопротивления нейтральных областей.

В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя дрейфовый ток I_др в направлении, противоположном диффузионному току I_диф.

Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, то между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие.