Лабораторная работа № 1 полупроводниковые диоды

Цель работы: изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового диода.

Задание к работе:

К работе допущен:

Работу выполнил:

Работу защитил:

Введение

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочным (р-п) переходам, раз­деляющим р- и п- области кристалла полупроводника и двумя выво­дами (рис. 1.1). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией - базой.

Принцип работы полупроводникового диода. Предположим, что внешнее напряжение на выводах отсутствует. Тогда свободные элек­троны п- области стремятся в р- область, аналогично, дырки из р- об­ласти диффундируют в п- область и возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя границу раздела р- и и- областей, остав­ляют противоположные заряды, которые создают внутреннее элек­трическое поле с напряженностью препятствующей дальнейшей диффузии основных носителей заряда. В результате возникает так называемый «потенциальный барьер», а диффузия практически пре­кращается, так как энергия носителей заряда недостаточна для пре­одоления потенциального барьера. При подключении к выводам диода внешнего напряжения¹, которое создаст в р-n-апереходе поле, век­торы напряженности которого совпадают с высота потенциаль­ного барьера: увеличивается и, как следствие, диффузионный ток стремится к нулю. Если полярность прикладываемого напряжения изменить ², то создаваемое им электрическое будет компенсиро­вать действие внутреннего поля, уменьшая этим высоту потенциаль­ного барьера. В результате, по мере возрастания напряжения, в об­ласть базы будет вводиться все большее количество дырок, которые и образуют прямой ток диода (рис. 1.2, а).

Все полупроводниковые диоды принято подразделять на две группы: выпрямительные, предназначенные для выпрямления пере­менного тока, и специальные. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления — на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения выпрямительные диоды подразде­пяются на высокочастотные (максимально допустимая частота входно­го напряжения fmax> Гц), низкочастотные (fmax < Гц) и им­пульсные. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (максимально за период входного напряжения среднее значение прямого тока диода <0,3 А), средней мощности (0,3 А< <10A) и большой мощности ( >10 А)

Выпрямительные диоды большой мощности называются сило­выми. Силовые диоды характеризуются рядом статических и динами­ческих параметров. К статическим параметрам относятся: паде­ние напряжения на диоде при заданном прямом токе ; среднее зна­чение прямого тока , допустимое обратное напряжение и соот­ветствующий ему обратный ток . Статические параметры удобно определять по вольт-амперной характеристике диода (рис. 1.2, б)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается вы­ражением

(1.1)

где - тепловой ток; - напряжение на р-п переходе; = kT/q -тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на гра­нице р-п перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т - 300 К, = 0,025 В); А: - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; q - заряд электрона.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебре­гать ( 0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей ( ~ 54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2, а. По мере возрастания положительного напряжения на р-п переходе прямой так диода резко возрастает. Поэтому незначительное измене­ние прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для р-п переходов характерен режим задан­ного прямого тока.

Реальный р-п переход не является бесконечно тонким и поэто­му при обратном напряжении происходит генерация пар электрон-дырка. ВАХ реального диода приведена на рис. 1.2, б (кривая 1). Вид­но, что при определенном значении обратного напряжения начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока ,соответствующий электрическому пробою р-п перехода (рис. 1.2, б, отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (рис. 1.2, б, участок ВАХ, после точки В). Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения работа диода соответствует пологому участку обратной ветви к ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р-п переход. Прямая ветвь ВАХ реального диода (рис. 1.2, б) также отличается от BAX идеального р-п перехода. Это вызвано влиянием объемного со­противления базы диода при больших уровнях инжекции. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрас­тая с ее повышением (рис. 1.2, б кривая 2). Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэф­фициент напряжения К:

(1.2)

где и - конечные приращения температуры и напряжения вблизи рабочей точки.

ВАХ позволяет также определить статическое и дифференциальное (динамическое) сопротивления диода. Дифференциальное сопротивление (рис. 1.2, б угол Р):

(1.3)

где ти, mi - масштабы осей напряжения и тока.

Статическое сопротивление численно равно отношению на­пряжения на элементе UE к протекающему через него току h и может быть определено графически через угол наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ к оси абсцисс (рис. 1.2, б угол ):

(1.4)

При работе на высоких частотах и в импульсных режимах на­чинает играть роль емкость диода , измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода Спер, образованную диффузионной , зарядной (барьерной) емкостями, и емкостью корпуса диода. Полупроводниковый диод, действие которого основано на использо­вании зависимости зарядной емкости Сзар от значения приложенного напряжения, называется варикап. Условное графическое обозначе­ние варикапа приведено в прил. 1: Значение емкости диода опреде­ляется режимом его работы, действительно, при прямом напряже­нии Сд = Сдиф + Ск, при обратном — Сд = Сзар + Ск, это позволяет при­менять варикап в качестве элемента с электрически управляемой ем­костью.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 1.3) - зависимость емкости варикапа от величи­ны приложенного обратного напряжения. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить как:

где Со - начальная емкость варикапа при Uв = 0 В; Uв - напряжение на варикапе; - контактная разность потенциалов.

Основными параметрами варикапа являются: емкость Св, доб­ротность и коэффициент перекрытия по емкости, равный:

м (1.5)

где Cmax, Cmin - емкости варикапа максимальная и минимальная соот­ветственно (Кс = 2 ... 20).

Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 1.4.

Видно, что полное сопротивление варикапа определяется как:

Видно, что сопротивление варикапа нелинейно, зависит от частоты, поэтому добротность варикапа, определяемая отношением его реактивного и активного сопротивлений, будет иметь максимум, который соответствует частоте:

(1.6)