Полупроводниковые диоды
Цель работы: изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового диода.
Задание к работе:
К работе допущен:
Работу выполнил:
Работу защитил:
Выполнил студент гр. МС-109
Купряхин Г.Г.
Теоретическое 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.
Рис. 1.1. Условное обозначение полупроводникового диода (а) и
его структура (б)
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 п- областей, оставляют противоположные заряды, которые создают внутреннее электрическое поле с напряженностью Е зар,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 напряжения[1], которое создаст в р-п- переходе поле, векторы напряженности которого совпадают с Е зар, высота потенциального барьера увеличивается и, как следствие, диффузионный ток стремится к нулю. Если полярность прикладываемого напряжения изменить[2], то создаваемое им электрическое поле 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 I пр(рис. 1.2, а).
Рис. 1.2. Статическая вольт-амперная характеристика диода идеального (а) и реального диода (б); 1 – ВАХ при комнатной температуре t 1;
2 – Вах при температуре t 2< t 1
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 подразделяются на высокочастотные (максимально допустимая частота входного напряжения f max > 103 Гц), низкочастотные (f max < 103 Гц) и импульсные. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (максимально за период входного напряжения среднее значение прямого тока диода I пр ср max ≤ 0,3 А), средней мощности (0,3 А < I пр ср max ≤ 10 А) и большой мощности (I пр ср max > 10 А).
Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Силовые диоды характеризуются рядом статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: падение напряжения на диоде при заданном прямом токе U пр; среднее значение прямого тока I пр;допустимое обратное напряжение U обр и соответствующий ему обратный ток I обр. Статические параметры удобно определять по вольт-амперной характеристике диода (рис. 1.2, б)
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением
, (1.1)
где I 0 – тепловой ток; U д– напряжение на p-n переходе; φт = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т = 300 К, φт = 0,025 В); k – 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 (e -4 ≈ 0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей (е 4 ≈ 54,6), поэтому ВАХ, описываемая этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2, а. По мере возрастания положительного напряжения на p-n переходе прямой ток 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 p-n переходов характерен режим заданного прямого тока.
Реальный p-n 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 U обр = U проб начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I обр, соответствующий электрическому пробою p-n 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 U обр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход. Прямая ветвь ВАХ реального диода (рис. 1.2, б) также отличается от ВАХ идеального p-n перехода. Это вызвано влиянием объемного сопротивления базы диода при больших уровнях инжекции[3]. 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:
, (1.2)
где ∆Т и ∆U – конечные приращения температуры и напряжения вблизи рабочей точки.
ВАХ позволяет также определить статическое и дифференциальное (динамическое) сопротивления диода. Дифференциальное сопротивление (r д) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения ∆U к соответствующему приращению тока ∆I в заданном режиме работы диода и может быть определен графически с помощью угла между касательной в рассматриваемой рабочей точке ВАХ и осью абсцисс (рис. 1.2, б угол β):
, (1.3)
где mU, mI – масштабы осей напряжения и тока.
Статическое сопротивление R ст численно равно отношению напряжения на элементе UE к протекающему через него току IE 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 α):
. (1.4)
При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода С д, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода С пер, образованную диффузионной С диф[4], зарядной (барьерной) Сзар[5] емкостями, и емкостью Сккорпуса диода. Полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости С зар 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 С д = С диф + С к, при обратном – С д = С зар + С к, это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Рис. 1.3. Вольт-фарадная характеристика варикапа
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 С 0 – начальная емкость варикапа при U в = 0 В; U в – напряжение на варикапе; ψк – контактная разность потенциалов.
Основными параметрами варикапа являются: емкость С в[6], добротность и коэффициент перекрытия по емкости, равный[7]
, (1.5)
где С max, C min – емкости варикапа максимальная и минимальная соответственно (Кс = 2... 20).
Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 1.4. Видно, что полное сопротивление варикапа определяется как:
Рис. 1.4. Эквивалентная схема замещения варикапа: R ш– сопротивления
перехода и шунтирующих его утечек, R п – сопротивление материала
полупроводника, С – зарядная емкость С зар
.
Видно, что реактивное сопротивление варикапа нелинейно, зависит от частоты, поэтому добротность варикапа, определяемая отношением его реактивного и активного сопротивлений, будет иметь максимум, который соответствует частоте
. (1.6)
Для варикапов, изготовленных из арсенида галлия, ω ~ 1кГц, а для кремниевых – достигает 1 МГц. Зависимости емкости варикапа от приложенного к нему обратного напряжения и частотная зависимость его сопротивления позволяют широко использовать варикапы в различных резонансных контурах электронных схем модуляторов, генераторов и т.п.
Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы
Упражнение 1. Эффект р-п перехода в диодах.
1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 1.5, а)
Рис. 1.5, а
2. К диоду при прямой полярности приложить напряжение постоянного тока U пр .= 0 В.Измерить величину соответствующего тока I пр.
3. Повторить измерения тока I пр по п.2, устанавливая значения напряжения в диапазоне 0,1…0,65 В, результаты измерений занести в таблицу 1.1.
Таблица 1.1
| U пр.,В | 0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,65 |
| I пр, мА |
4. Изменить полярность диода в соответствии со схемой (рис. 1.5, б)
Рис. 1.5, б
5. Повторить измерения по п.3, устанавливая значения напряжения в диапазоне 0…30 В, результаты измерений занести в таблицу 1.2
Таблица 1.2
| U обр.,В | 0,0 | 15[8] | |||||
| I обр, мкА |
6. По результатам измерений по пп. 3, 4 построить ВАХ выпрямительного диода.
7. По ВАХ определить в соответствии с (1.3) дифференциальное сопротивление диода.
8. По ВАХ определить в соответствии с (1.4) статическое сопротивление диода.
Упражнение 2. Диоды с переменной емкостью.
1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 1.6).
2. Приложить к входу цепи синусоидальное напряжение амплитудой U 0 = 10 В. Частоту переменного напряжения установить 10 кГц.
Рис. 1.6
3. Установить постоянное напряжение U 2 = 2 В. Изменяя частоту напряжения U 0 (амплитуда U 0 поддерживается постоянной и равной 10 В) в диапазоне 10-20 кГц, определить по результатам регистрации U 1 между концами параллельной цепочки резонансную частоту[9].
4. Повторить измерения по п. 3, устанавливая постоянное напряжение в диапазоне 2-30 В, результаты измерений занести в таблицу 1.3.
Таблица 1.3
| U 2, В | f, кГц | L, мГн | С, пФ |
5. В соответствии с табл. 1.3 построить график зависимости резонансной частоты от напряжения.
6. Определить емкость варикапа, полагая из (1.6), что 
. Результаты вычислений занесите в табл. 1.3.
7. Построить график зависимости емкости варикапа от напряжения.
8. Определить по формуле (1.5) коэффициент перекрытия по емкости.
[1] Так называемое обратное напряжение, когда к п - области прикладывается «+» потенциал, а к р- области «-» потенциал.
[2] Так называемое прямое напряжение, когда к п - области прикладывается «-» потенциал, а к р- области «+» потенциал.
[3] Когда число инжектируемых неосновных для области базы носителей заряда, становится значительно больше основных, уровень инжекции считается большим.
[4] Диффузионная емкость возникает в приконтактном слое р-п -перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов, т.е. за счет изменения заряда вызванного изменением прямого напряжения.
[5] Зарядная емкость возникает при обратном напряжении на р-п -переходе и обусловлена изменением в нем объемного заряда.
[6] В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости С в изменяется от единиц до сотен пикофарад.
[7] Кс = 2... 20
[8] Для получения напряжения более 15 В необходимо соединить последовательно регулируемый и нерегулируемый источники напряжения.
[9] Резонансная частота в данном случае – это та частота, при которой напряжение U 1 достигает максимум.