Цель работы:изучение особенностей вольтамперных характеристик различных типов полупроводниковых диодов.
Как правило, полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет структура из двух слоев полупроводника различных типов проводимости. На внешних границах слоев формируются невыпрямляющие (омические) контакты, выводы от которых используются для подключения диода в электрическую цепь. Область раздела слоев полупроводника представляет собой зону, обедненную свободными носителями зарядов, так называемый p-n переход.
В тоже время существуют полупроводниковые диоды, состоящие из одного слоя полупроводника (диоды Ганна), содержащие выпрямляющий контакт полупроводник–металл (диоды Шоттки) или имеющие несколько слоев полупроводника с разными свойствами (p-i-n диоды).
Вывод от «p» слоя полупроводника в диоде с p-n переходом называется анодом, а соответствующий вывод от «n» слоя – катодом. Условная структура полупроводникового диода и его обозначение на принципиальных схемах представлены на рис. 1
При подаче на анод отрицательного, а на катод положительного напряжения, основные носители (дырки в p и электроны в n полупроводнике) оттянутся к внешним краям диода, и ширина p-n перехода возрастет. В идеале при этом ток через диод должен отсутствовать, так как свободных носителей внутри p-n перехода нет. Сам переход в данной ситуации выполняет роль изолятора, а диод можно представить в виде конденсатора, обкладками которого служат слои полупроводника, а диэлектриком – p-n переход.
При уменьшении запирающего (обратного) напряжения толщина перехода будет уменьшаться, а при смене полярности и некоторой величине прямого (отпирающего) напряжения она станет равной нулю, и области с большими концентрациями свободных носителей сомкнутся. Через диод потечет прямой ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и свойств полупроводниковых материалов.
|
|
В реальных диодах при запирающем (обратном) напряжении протекает не равный нулю обратный ток (
) и, увеличивающийся с ростом этого напряжения. Данный ток можно представить в виде совокупности трех составляющих:
, (1.1)
где 
– ток насыщения (тепловой ток), обусловленный наличием неосновных носителей – дырок в «n» полупроводнике и электронов в «p» слое; 
– ток термогенерации, связанный с появлением в зоне p-n перехода свободных носителей (генерацией электронно-дырочных пар), количество которых пропорционально температуре и объему перехода (величине обратного напряжения); 
– ток утечки, обусловленный конечным значением сопротивления поверхности полупроводника, он также пропорционален запирающему напряжению. При малых обратных напряжениях и небольших температурах 
.
В реальных полупроводниковых диодах при достижении обратным напряжением некоторой величины наступает пробой p-n перехода, что вызывает резкое увеличение обратного тока. Пробой может быть обусловлен либо квантово-механическими туннельными эффектами, лавинообразным ростом неосновных носителей из-за большой напряженности электрического поля в объемеp-n перехода, или из-за роста температуры полупроводника, вызывающей рост тока 
, дальнейший разогрев диода и т.д.
В первых двух случаях пробой называется электрическим, а в третьем – тепловым. Электрический пробой является обратимым, то есть при снятии обратного напряжения, вызвавшего пробой, p-n переход восстанавливает свои свойства. Тепловой пробой необратим и вызывает разрушение p-n перехода (расплавление его). Для того чтобы электрический пробой не перешел в тепловой количество выделяющегося в зоне p-n перехода тепла должно быть меньше рассеиваемого. Это можно реализовать ограничив ток пробоя каким-либо внешним элементом. В режиме электрического пробоя диод может находиться достаточно длительное время, при этом величина падения напряжения на нем очень слабо связана с величиной тока пробоя, как показано на рис 2.
|
|
Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из разных материалов.
Величина прямого тока через диод связана с приложенным напряжением следующим образом:
, 
Установка для проведения лабораторной работы № 1 «Исследование полупроводникового диода» состоит из лабораторного и измерительного стендов, осциллографа и измерителя емкости. Измерительный стенд представляет собой группу приборов: миллиамперметр – PA1 и два вольтметра –PV1,PV2, пределы измерения которых можно менять с помощью переключателей, расположенных под приборами. Данный стенд предназначен для измерения постоянных напряжений и токов. Его подключение к контрольным гнездам лабораторного макета осуществляется соединительными проводниками с одиночными штекерами, с обязательным соблюдением полярности.
Л 
абораторный стенд содержит в своем составе регулируемый источник питания с диапазоном измерения выходного напряжения 
В и с ограничением выходного тока на уровне 150мА. Тумблер включения источника, ручка регулировки напряжения и его выходные гнезда, размещены в правой части панели лабораторного стенда. Там же расположено гнездо с маркировкой “ 
”, к которому подключен выход встроенного генератора прямоугольных импульсов.
|
|
В данной лабораторной работе исследуются основные характеристики полупроводниковых диодов средней мощности, выводы которых подключены к соответствующим клеммам макета. В качестве диодов используются VD1 – мощный кремниевый диод КД202Б,VD2 – кремниевый диод средней мощности КД226Б, VD3 – германиевый диод средней мощности Д7Ж, VD4 - мощный диод Шоттки КД219А, VD5 – стабилитрон Д815Б, VD6 – кремниевый диод КД209А,VD7 –варикап КВ127А. Цепочка 
, 
требуется при исследовании вольтфарадной характеристики варикапа, а резистор 
, номиналом 1 Ом, применяется в качестве датчика тока, протекающего через исследуемые диоды.
Включение лабораторного стенда производится переводом тумблера «Вкл.» в верхнее положение. О функционировании источника питания свидетельствует свечение зеленого светодиода.
