ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

2. KPATKИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Полупроводниковые диоды получили широкое распространение в различных электронных устройствах. Полупроводниковый диод представляет собой двухслойный прибор, состоящий из областей с р- и n- типами электропроводности.

Основными носителями в р-областях являются дырки, концентрация которых на несколько порядков превышает концентрацию дырок в n-области, где дырки являются неосновными носителями. Под влиянием разности концентраций дырки диффундируют из области р- в область n-. Аналогично электроны из области n- диффундируют в р- область. Дырки, перешедшие в n-область, рекомбинируют на её границе с электронами. Электроны, перешедшие в р-область, рекомбинируют с дырками. В ре­зультате диффузии основных носителей в пограничном слое р- области образуется отрицательный нескомпенсированный объёмный заряд, в по­граничном слое n- областях - нескомпенсированный объёмный заряд по­ложительного знака. Возникает р-n-переход, который обладает потенциальным барьером ∆φ₀, затрудняющим диффузию основныхносителей. Высота потенциального барьера выражается в вольтах, для большинства р-n-переходов из кремния ∆φ₀ = 0,7 В, германия ∆φ₀= 0,35 В

Рисунок 1

Если к р-n-переходу подключить внешний источник напряжения, то нарушится условие равновесия и потечёт ток. При этом изменится высота потенциального барьера и соответственно ширина р-n-перехода.

При приложении внешнего напряжения в "прямом" направлении, т.е. знаком "плюс" к области р- типа высота потенциального барьера снижается:

(1)

уменьшается и ширина р-n-перехода.

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к снижению электрического поля, препятствующего диффузии носителей заряда. Дырки из р-области начинают переходить в область n-типа, а электроны наоборот из области n-типа в область р-типа. В каждой области появляются избыточные концентрации неосновных носителей. Процесс нагнетания неосновных носителей заряда в какую-либо область полупроводника называется инжекцией.

Если внешнее напряжение U приложено в обратном направлении, т.е. знаком "плюс" к области n- типа, высота потенциального барьера повышается:

(2)

Увеличение обратного смещения приводит к расширению р-n-перехода. При приложении напряжения U в обратном направлении концентрации неосновных носителей на границах областей уменьшаются по сравнению с равновесными значениями. Такой процесс оттока носителей называет­ся экстракцией.

В общем виде вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода представляется экспоненциальной зависимостью

, (3)

где I₀ - обратный ток.

Рисунок 2

Этот ток имеет небольшие величины (обычно от единицы миллиампер до нескольких наноампер), но довольно значительно увеличивается при повышении температуры. Из (3) следует, что при прямом смещении (U > 0) ток через р-n-переход возрастает, а обратном(U < 0)становится малым, приближаясь к значению I₀. Поскольку φ _т = 0,026 В, то при положительных напряжениях U > 0.1 В, в формуле (3) можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой. Таким образом, p-n- переход обладает выпрямляющим действием, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

Важным параметром р-n-перехода является его дифференциальное сопротивление. Величину R _д легко получить из (3):

(4a)

при получим окончательно:

(4б)

С ростом тока дифференциальное сопротивление р-n-перехода быстро падает. При рабочих токах составляет десятки, единицы и даже доли Ом.

Статическое (сопротивление постоянному току) сопротивление определяется как:

(5)

При протекании прямого тока всегда

Реальная вольтамперная характеристика диодов отличается от идеальной по формуле (3) более сложной формой: состоит из нескольких участков с разными наклонами. Отличия реальной ВАХ от идеализирован­ной определяются несколькими причинами.

Рисунок 3

На этом рисунке представлен параметр , называемый пороговым напряжением, которое определяется при оговоренном для данного типа диодов тока.

Другая причина отличия реальной ВАХ от (3) обусловлена падением напряжения на объёмном сопротивлении базы. Эта причина проявляется при относительно больших токах. Падение напряжения на этом сопротивлении является поправкой, с учётом которой выражение для ВАХ примет вид:

(6)

Третьей причиной отличия ВАХ от идеальной является модуляция сопротивления базы при больших уровнях инжекции. Протекание больших токов определяется инжекцией большого числа носителей заряда из эмиттера в базу. В результате наличия в базе большого числа неосновных носителей заряда её объёмное сопротивление уменьшается, что делает необходимым учёт влияния в формуле (6).

Обратный ток существенно зависит от температуры. Прямое напряжение на р-n-переходе также зависит от температуры. Для оценки изменения прямого напряжения при изменении температуры применяют температурный коэффициент напряжения (ТКН), характеризующий сдвиг ВАХ по оси напряжений. ТКН зависит от тока и несколько уменьшается с его ростом. Обычно он имеет отрицательный знак и составляет для кремния -(2...3)10³В/град.

Любые р-n-переходы обладают инерционностью, которая определяется наличием емкостей этих переходов. Обычно выделяют две основные ёмкости р-n-перехода: диффузионную и барьерную. При прямом смещении р-n-перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные для базы носители заряда. Изменение прямого напряжения на р-n-переходе приводит к изменению концентрации этих неравновесных неосновных носителей в базе, т.е. к изменению заряда в ней. Изменениеже заряда, вызванное изменением напряжения можно рассматриватькак изменение ёмкости. Эта ёмкость называется диффузионной, поскольку неосновные носители заряда попали в базу за счёт диффузии из эмиттера.

Обычно используется дифференциальная диффузионная ёмкость:

(7)

где τ - время жизни неосновных носителей в базе.

Ёмкость C _д во многом определяет быстродействие элементов полупроводниковой электроники.

При обратном смещении инерционность р-n-перехода характеризуется ёмкостью, которая называется барьерной (зарядной). Она определяется изменением пространственного заряда р-n-перехода под действием приложенного напряжения

где S - площадь р-n-перехода;

l - его ширина в равновесном состоянии.

При прямом смещении р-n-переход сужается, барьерная ёмкость растёт, но в этом случае оказывается менее существенной, чем диффузионная. Эквивалентная схема замещения полупроводникового диода приведена на рисунок4а, б, в, г, д.

Сопротивление R представляет собой суммарное, относительно небольшое сопротивление р- и n- областей и контактов с выводами. Нелинейное сопротивление при прямом напряжении равно т.е. невелико, а при обратном - большое. В различных частных случаях эквивалентная схема 4а может быть упрощена. На низших частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать (рисунок 46,в).

На высоких частотах ёмкости имеют сравнительно небольшое сопротивление и их приходится учитывать в прямом (рисунок 4г) и в обратном (рисунок 4д) направлениях.

Стабилитроны изготавливаются по особой технологии из кремния с низким удельным сопротивлением. Структура стабилитрона аналогична диоду.

Рисунок 5

Если р-n-переход смещен в прямом направлении, его ВАХ аналогична прямой характеристике диода. Обратные характеристики диода и стабилитрона существенно отличаются. В стабилитроне при определённом обратном напряжении сильное электрическое поле ускоряет электроны настолько, что они вызывают ударную ионизацию атомов кристаллической решетки вещества. При этом поток носителей заряда лавинообразно нарастает, обратный ток увеличивается, а соответствующее напряжение остается практически неизменным. Обратная ветвь ВАХ спадает почти вертикально.

Ток стабилитрона ограничивают, а рабочий участок используют для стабилизации напряжения на нагрузке. Напряжение и ток на линейном участке рабочей характеристики называют напряжением и током стабилизации. Напряжение стабилизации при изменении тока от до изменяется на единицы процентов. Важными параметрами являются:

- коэффициент стабилизации ;

- температурный коэффициент ТКН;

- дифференциальное сопротивление в режиме стабилизации;

- статическое сопротивление ;

- коэффициент качества .

Типовые значения ТКН не более 0,2 – 0,4 %/град.

Схема стенда для исследования работы диодов и стабилитронов представлена на рисунке 6 и состоит из диодов VD1, VD2, VD3, VD4, VD5, подключаемых переключателем SA1 в прямом и обратном направлении к регулируемому источнику питания через ограничительные резисторы.

Для измерения напряжения используется осциллограф, токи измеряют вольтметром В7-23 или аналогичным. Для изучения частотных свойств подключают генератор G типа Г3-53 или любой генератор синусоидальных колебаний.

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.

3.1. Включить стенд, осциллограф и измеритель тока.

3.2. Снять ВАХ полупроводниковых диодов. Для этого:

3.2.1. Вход измерителя тока подключить к гнездам РА, вход осциллографа к гнездам "PV".

3.2.2. Переключатель SAI установить в положение "1"

3.2.3. Изменяя напряжение Е (путем изменения положения потенциометра Е) снять прямую ветвь ВАХ диода по 5...6 точкам. В качестве вольтметра использовать осциллограф.

3.2.4. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Снятия прямой ВАХ.

Таблица 1

3.2.5. Переключатель SAI установить в положение "2"

3.2.6. Изменяя положение потенциометра "Е", используя измеритель тока и осциллограф, снять ВАХ диода в обратном включении. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

3.2.7. Переключатель SA1 установить в положение "3", изменяя положение потенциометра "Е" и используя измеритель тока и осциллограф, снять ВАХ стабилитрона в диодном включении. Резуль­таты измерений занести в таблицу 3. (5-6 замеров)

Таблица 3

3.2.8. Переключатель SA1 установить в положение "4", изменяя положение потенциометра "Е" и используя измеритель тока и осциллограф, снять ВАХ стабилитрона. Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

3.3. Снять осциллограммы на диодах при воздействии переменного напряжения.

3.3.1. Переключатель SA1 установить в положение "5", к гнездам подключить генератор низкой частоты, используя осциллограф на частотах 100Гц, 1кГц, 10 кГц при работе низкочастотного диода осциллограммы зарисовать.

3.3.2. Переключатель SA1 установить в положение "6", зарисовать осциллограммы на частотах 100Гц, 1кГц, 10 кГц для высокочастотного диода.

3.3.3. Переключатель SА1 установить в положение "7", зарисовать осциллограммы на частотах 100Гц, 1кГц, 10 кГц для стабилитрона.

3.4. По результатам пункта 3.2. построить ВАХ – зависимости .

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА.

Отчет должен содержать:

- электрические принципиальные схемы, применяемые при измерениях,

- таблицы, осциллограмы, графики, требуемые разделами 3.2; 3.3; 3.4.,

- выводы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Объяснить принцип действия диода.

2. Объяснить характер ВАХ диода, стабилитрона.

3. Чем отличается стабилитрон от диода?

4. Какие элементы эквивалентной замещения диода влияют на форму кривой выпрямленного напряжения?

5. Рассказать об областях применения диодов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тугов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы под редакцией Лабукцова В.А. М.: Энергоатомиздат. 1990 г.

2. Жеребцов И.П. Основы электроники 4-е издание Л., Энеагоатомиздат, 1985 г.

Рис 6. Электрическая схема стенда