Цель работы
Целью работы является углубление и закрепление знаний по полупроводниковым диодам, а также получение навыков снятия характеристик диодов и расчёта режима работы.
Краткие теоретические сведения
Полупроводниковый диод является электронным элементом, который проводит ток только в одном (прямом) направлении. Это прибор с двумя выводами, состоящий из анода и катода. Согласно общепринятому направлению, ток протекает от анода к катоду. Идеальный диод имеет нулевое сопротивление при смещении в прямом направлении и действует как резистор с бесконечным сопротивлением или как разомкнутая цепь в обратном включении.
Большинство диодов выполняется соединением областей p и n-типа кремния или германия. Граница между этими областями образует p-n-переход. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объёмные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объёмный заряд, а в области p возникает отрицательный объёмный заряд. Между образовавшимися объёмными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов, т.е. возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (Uk = φn – φp). Это поле перемещает дырки из n-области обратно в p-область и электроны из p-области обратно в n-область. Такое перемещение неосновных носителей называют дрейфом. При постоянно температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Перемещение носителей за счёт диффузии. – это диффузионный ток, а движение носителей за счёт поля – ток дрейфа. В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю.
Если теперь подключить источник внешнего напряжения положительным полюсом к полупроводнику p-типа, то p-n-переход сместится в прямом направлении. Электрическое поле, создаваемое в p-n-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле становится слабое, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т.е. высота потенциального барьера понижается. При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина заполняющего слоя и его сопротивление в прямом направлении становится малым.
Если поменять полюса у внешнего источника напряжения, т.е. n-область подключить к положительному полюсу, а p-область – к отрицательному, то p-n-переход будет включён в обратном направлении. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера увеличивается, а также увеличивается толщина запирающего слоя и его сопротивление значительно возрастает. Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой. Полупроводниковые диоды относятся к нелинейным приборам, т.к. у них связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом и вольт-амперная характеристика не является прямой линией.
Рис1.Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Пример такой характеристики дан на рис.1. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков Ом. Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен кОм и больше. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, т.к. при увеличении Uпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. При дальнейшем увеличении прямого напряжения запирающий слой практически исчезает и остаётся только сопротивление n и p-областей, которое можно считать постоянным, поэтому характеристика идёт со всё большей крутизной и становится почти линейной.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Но затем при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растёт незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода за счёт утечки по поверхности, а также за счёт лавинного размножения носителей заряда. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. При создании сильного электрического поля нарушаются ковалентные связи электронов, что вызывает значительный ток. Это называется туннельным пробоем p-n-перехода и происходит при низких обратных напряжениях.
Когда прикладываются более высокие обратные напряжения, все свободные электроны в полупроводнике получают дополнительное ускорение и приобретают достаточную энергию для того, чтобы при соударении с другими электронами нарушить их ковалентные связи. В результате генерируются дополнительные свободные носители заряда. Это явление носит название лавинного пробоя. Эти явления используются для построения особого класса диодов, называемых стабилитронами. Такие диоды работают в режиме “включения” независимо от того, вызвано это включение туннельным или лавинным пробоем.
Типичная характеристика стабилитрона приведена на рис.2
Рис.2 Вольт-амперная характеристика стабилитрона.
Характеристику стабилитрона можно разбить на 3 части:
I. Прямая ветвь характеристика стабилитрона имеет такой же вид, как и прямая ветвь обычного диода.
II. Обратный ток характеристики этого участка является небольшим током утечки при напряжениях, меньших напряжения стабилизации Uст (напряжение пробоя). В области напряжения пробоя обратный ток начинает медленно возрастать до точки излома характеристики в области излома внутреннее сопротивление имеет некоторое среднее значение и затем быстро уменьшается по мере увеличения тока.
III. Участок, когда обратное напряжение становится равным Uст, ток резко возрастает. Т.к. при Uст протекают большие токи, падение обратного напряжения на стабилитроне практически не может быть более отрицательным, чем Uст.
Домашнее задание
III.1. Изучить лабораторный стенд.
III.2. Изучить раздел “Полупроводниковые диоды” по лекционному материалу и [Л1] глава 3.
III.3. Для определения режима работы диода по постоянному току построить нагрузочную характеристику на вольт-амперной характеристике и определить рабочую точку для случая, когда Uвх=1В. (Л1 стр. 42-43)
| вариант | ||||||||
| Rн,кОм | 0,3 | 0,6 | 0,9 | 1,2 | 1,5 | 1,8 | 2,1 |
Лабораторное задание.
4.1. Получить необходимые радиоэлементы (Д9, КД103, Д814) и установить их на плату рабочего комплекта, произвести монтаж электросхемы, подключить источники сигнала, измерительные приборы.
4.2. Снять ВАХ диодов и стабилитрона. Для этого вызывается блок виртуальных приборов рис 3 и выбирается “Two-wire Current-Voltage analyzer”. Появляется окно виртуального прибора рис 4.
Для снятия прямых ветвей ВАХ необходимо в области Setting выставить начало измерения (окошко ввода Start) с 0 вольт и конечное значение измерения (окошко ввода Stop) 1.1 вольт с шагом (окошко ввода Increment) 0.1 вольт. Значения данных в графах Current Limit (ma) показывают максимально возможные отрицательные и положительные величины токов протекающих через диод -10 мА и 10 мА соответственно. В области Display находятся настройки отображения графика ВАХ так линейный или логарифмический масштаб по осям токов и напряжений, а также Autoscale – автоматическое масштабирование может быть включено или выключено. После задания всех параметров измерения нажать кнопку Run на виртуальном приборе.
Для снятия обратной ветви ВАХ необходимо в области Setting выставить начало измерения (окошко ввода Start) с -10 вольт и конечное значение измерения (окошко ввода Stop) 0 вольт с шагом (окошко ввода Increment) 1 вольт все остальные настройки такие же, как и при измерении прямой ветви ВАХ. После задания всех параметров измерения нажать кнопку Run на виртуальном приборе.
Особое внимание уделить при измерении ВАХ стабилитрона, а именно измерению обратной ветви ВАХ
Провести измерения со всеми тремя диодами.
Рис. 3 Блок виртуальных приборов
Рис 4 Окно виртуального прибора измерителя ВАХ диодов
4.3. Данные измерений перенести в отчёт.
4.4. Сравнить результаты измерений между исследованными диодами и их теоретическими характеристиками. Сделать выводы.
Рис.5. Схема подключения диода на макетной плате для снятия ВАХ
5. Контрольные вопросы.
5.1.Образование электронно-дырочного перехода при отсутствии внешнего напряжения.
5.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении.
5.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении.
5.4. Переход металл-полупроводник. Диод Шотке (изображение по ГОСТу, ВАХ).
5.5. ВАХ полупроводниковых диодов.
5.6. Стабилитроны (изображение по ГОСТу).
5.7. Какие ёмкости присутствуют в полупроводниковом диоде?
5.8. Рабочий режим полупроводникового диода.
5.9. Применение полупроводниковых диодов для выпрямления тока.
5.10. Записать и объяснить уравнение линии нагрузки.
5.11. Основные типы полупроводниковых диодов.
5.12. Особенности конструкции плоскостных и точечных диодов.
5.13 Зонная теория. Уровень Ферми.
5.14 Собственная и примесная проводимости.
5.15 Образование полупроводников р-типа.
5.16 Образование полупроводников n-типа.
5.17 p-i-n диоды.
5.18 Варикапы, варисторы (ВАХ, изображение по ГОСТу).
5.19 Туннельный диод (ВАХ, изображение по ГОСТу).
5.20 Классификация пробоев диодов.
5.21 Условие работы контакта металл-полупроводник в режиме диода и омического контакта.
5.22 Маркировка диодов.
5.23 Светодиоды (ВАХ, изображение по ГОСТу).
5.24 Фотодиоды (ВАХ, изображение по ГОСТУ).
5.25 Составные полупроводники на примере арсенида галлия.
Литература.
1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – 5е изд.., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989, - 352с.
2. Электронные приборы: Учебник для ВУЗов (В.Н. Дулин, Н.А.Аваев, В.П. Демин и др.) под редакцией Шишкина Г.Г. Энергоиздат, М, 1989.
3. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. Под общей редакцией Горюнова Н.Н., Энергоиздат, М, 1983, 744 с.