Изучение свойств p-n-перехода

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ P-N-ПЕРЕХОДА

 

Лабораторная работа № 1

Изучение свойств p-n-перехода

Цель работы: изучение ВАХ полупроводникового диода, проверка справедливости уравнения идеального p-n перехода для реального полупроводникового диода, изучение частотных свойств диода.

Приборы и принадлежности: осциллограф с1-83, генератор НЧ, лабораторный стенд, исследуемые диоды.

 

Теоретические сведения.

Полупроводниковый диод представляет собой двухслойный полупроводниковый кристалл с разными типами электрической проводимости (см. рис. 1). Один слой содержит акцепторную примесь и обладает проводимостью p-типа (дырочной), а другой – донорную и обладает проводимостью n-типа (электронной). Например, в германиевом диоде концентрация акцепторов, n_a=10¹⁸ см^-3, концентрации доноров n_д=10¹⁵ см^-3, при концентрации атомов германия n=4*10²² см^-3.

 

Рисунок 1¾Структурная схема p–n-перехода

 

Внутреннюю пограничную область между слоями с электронной и дырочной проводимостями называют электронно-дырочным переходом или p–n переходом, который способен выпрямлять ток, т.е. проводить электрический ток преимущественно в одном направлении.

Объяснение свойств p - n перехода может быть дано на основе зонной теории твердых тел. Будем рассматривать p–n-переход в состоянии термодинамического равновесия, т. е. при отсутствии внешнего воздействий, таких, как внешнее напряжение, (см. рис. 2)

Рисунок 2¾Диаграмма энергетических уровней р-n-перехода в равновесном состоянии

 

Следствием предположения о термодинамическом равновесии является то, что:

а) суммарные токи электронов и дырок в каждой точке объема равны нулю (I_n=I_p=0)

б) квазиуровень Ферми E_Fn=E_Fp=E_F постоянен для всего полупроводника; квазипотенциалы y_n=y_p=y_F=const. При этом энергетические зоны изогнуты и полностью заполнены во всех точках полупроводникового материала, в которых np= .

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение в запирающем направлении, т. е. направлении, совпадающем с направлением контактной разности потенциалов U₀, то высота потенциального барьера увеличивается на величину q_eU и станет равной q_e(U₀+U).(см. рис. 3)

На зонной диаграмме это отражается на том, что уровень Ферми в n – области, присоединенной к положительному полюсу источника тока, снижается по сравнению с уровнем Ферми в p – области на величину q_eU.

По мере увеличения потенциального барьера экспоненциально уменьшается основных носителей заряда, которые способны его преодолеть. При определенной высоте потенциального барьера диффузионный ток обращается в нуль. Основные носители будут дрейфовать от пограничных областей внутрь проводника. Толщина p-n–перехода и его сопротивление увеличиваются. Через переход будет протекать только ток, обусловленный неосновными носителями (дрейфовый ток), для которых барьера нет. Этот ток называется обратным током насыщения p-n–перехода и обозначается I₀.

Рисунок 3¾Диаграмма энергетических зон при обратном смещении p-n–перехода.

 

Если к p-n–переходу приложено напряжение U в прямом направлении, то высота потенциального барьера уменьшится на величину q_eU и будет равна q_e(U₀-U). При этом уровень Ферми в p-области повышается на величину q_eU по сравнению с уровнем Ферми в n–области, (см. рис. 4). Диффузионный ток возрастает по экспоненциальному закону. Число носителей заряда в приконтактных слоях увеличивается, поэтому уменьшается толщина p-n–перехода и его сопротивление. Таким образом, p-n–переход является нелинейным элементом, так как его сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом.

Рисунок 4¾ Диаграмма энергетических зон и квазиуровней Ферми при прямом смещении p-n–перехода.

Теоретический расчет дает следующее выражение вольт-амперной характеристики:

(1)

где , а U_T= -температурный потенциал, I₀¾обратный ток диода, q_e¾заряд электрона.

 

Рисунок 5¾Вольт-амперная характеристика диода

 

Частотные свойства диодов. Наиболее часто диоды с р-n-переходом используют для выпрямления, детектирования, модуляции напряжения синусоидальной или почти синусоидальной формы.

Рассмотрим поведение р-n-перехода при воздействии на него синусоидального тока или напряжения различной частоты. Подадим на вход цепи, состоящей из последовательного соединения с р-n-переходом резистора R, напряжение E(t) = Umax sinwt, где Umax — амплитуда напряжения; w = 2pf — круговая частота; f=l/T — цикличе­ская частота; Т — период колебаний; t—время. Переход­ные процессы в р+-n переходе протекают в течение времени порядка времени жизни дырок t_p в n-базе диода. На низкой частоте, когда wt_p<<1 (или T>>t_p), для каждого момента времени изменения синусоидального напряжения переходные процессы, связанные с рекомбинацией, успевают установиться. Такой режим называют квазистационарным. Форма тока через диод, как показано на рис. 6, а, оказывается несинусоидальной. Ток диода протекает практически только в первом полупериоде. Значение выпрямленного тока равно среднему значению тока за период Т и составляет .

На повышенной частоте, когда wt_p 1 (или период Т»t_p), выпрямляющие свойства р-n перехода ухудшаются. При таких частотах дырки, инжектированные в n-базу за положительный полупериод, не успевают полностью рекомбинировать в базе. Во время отрицательного полупериода часть накопленных в n-базе дырок рекомбинирует, а часть уходит в р+-область, создавая всплеск обратного тока (рис. 6, б), наибольшее мгновенное значение которого I_Обр,и.

Рисунок 6¾Кривые тока через диод а) при низких б) средних в) высоких частотах

 

Интервал времени между моментом Т/2 и моментом t_i называется временем запаздывания обратного напряжения t_зп, так как в течение этого интервала полярность напряжения диода соответствует прямому направлению. Значение t_зп»0,5t_p. Далее обратный ток спадает, стремясь к своему стационарному значению. Условное окончание фазы спада устанавливают по заданному уровню обратного тока, например 0,25I_обр,и. Время спада обратного тока t_cn=t₂—t₁ л; 0,3¸0,4 t_p. Время обратного восстановления

t_ВОC =t₂-T/2»t_p. (2)

За это время во внешнюю цепь выте­кает заряд восстановления диода Q_B0C,численно равный площади над кривой i(t) на промежутке от T/2 до t₂.

При очень больших токах пропорциональ­ность между Q_BOC и I_npmax нарушается, что связано с умень­шением коэффициента инжекции и накопленного заряда дырок в n-базе диода.[9]

На очень высоких частотах wt_p >1 заряд дырок, введенных в n-базу за положительный полупериод, полностью выводится, но внешнюю цепь за отрицательный полупериод и диод теряет выпрямительные свойства (рис 6, в).

 

 

Описание измерительной установки

Прибор, позволяющий наблюдать на экране ЭЛТ статические характеристики нелинейных элементов, называется характериографом. Схема характериографа, предназначенная для наблюдения ВАХ двухполюсников, представлена на рис. 7. К цепи, состоящей из последовательно соединенного исследуемого двухполюсника и резистора R5, через трансформатор ТV1 подводится низкочастотное напряжение. Амплитуду напряжения устанавливают переменным резистором R6. Напряжение, снимаемое с двухполюсника, поступает на вход X осциллографа. Напряжение на сопротивлении R7 и R8, (если S4 замкнут то R8) пропорциональное току через двухполюсник, поступает на вход Y осциллографа. Таким образом, отклонение электронного луча по оси X оказывается пропорциональным падению напряжения на двухполюснике, а по оси Y — току через него. Поэтому траектория луча на экране ЭЛТ и есть вольт-амперная характеристика двухполюсника.

Рисунок 7¾Схема приставки для наблюдения ВАХ нелинейных элементов.

 

Выполнение работы

Задание 1.

 

Изучение ВАХ диода. Проверка уравнения идеального диода.

1. Изучите по справочнику технические данные предложенных преподавателем диодов. Обратите внимание на предельные значения токов и напряжений.

2. Составьте схему характериографа для снятия вольт-амперной характеристики диодов. Соберите электрическую цепь.

3. Включите осциллограф. Установите режим изображения функциональных зависимостей между двумя сигналами, для чего установите переключатель вида синхронизации в положение "X-Y", а переключатель вида работ - в положение "II, "X-Y". Чувствительность по вертикальному и горизонтальному каналам соответствует положению переключателей «V/ДЕЛ».

4. Включите лабораторный стенд. Подключите исследуемый элемент,

как показано на рисунке приведенном ниже.

 

 

Если замкнут переключатель S2, то на экране осциллографа будет видна прямая ветвь, если замкнут переключатель S3, то на экране осциллографа будет видна обратная ветвь. Регулируя подаваемое напряжение переменным резистором R6, получите и зарисуйте осциллограмму ВАХ диода в пределах масштабной сетки осциллографа, привязав ее к осям координат. Нанесите на оси координат значения напряжений и токов диода.

5. Определите статическое сопротивление (сопротивление по постоянному току) по вольт-амперной характеристики диода: Ro = U_o/Io при заданных трех значениях I₀ или U_o. (см. рис.5). Сделайте вывод о зависимости сопротивления от напряжения.

6. Определите динамическое сопротивление (сопротивление попеременному току или дифференциальное) Ri = DU/DI при трех значениях напряжения, где приращения тока DI и напряжения DVотсчитываются от точки вольтамперной характеристики, в которой сопротивление определяется. Сделайте вывод о зависимости сопротивления от напряжения.

7. Постройте график зависимости ln(I/I₀) = f(U) для прямой ветви ВАХ диода, взяв значение I₀ (значение обратного тока) из справочника. Если экспериментальные точки ложатся на прямую, то зависимость прямого тока диода от напряжения является экспоненциальной и выполняется уравнение идеального диода (1).

8. Оцените по полученному графику значение температурного потенциала U_T. Сравните полученное значение с теоретическим.

Задание 2

Изучение частотных свойств полупроводникового диода.

Переключите осциллограф в режим одновременного изображения двух исследуемых сигналов на одной развертке. Для работы осциллографа в двухканальном режиме необходимо установить переключатель режима работы в положение «U», а переключатель синхронизации - в положение «I».

Для этого используйте схему, приведенную на рис. 8. К клеймам 1, 2 подключите низкочастотный генератор, а 3, 4 осциллограф. Изменяя частоту развертки, добейтесь получения на экране ЭЛТ устойчивой осциллограммы 1-2 периодов исследуемого напряжения и

зарисуйте ее.

 

Рисунок 8¾Принципиальная схема для изучения частотных свойств полупроводниковых диодов, к разъемам подключается 1,2-генератор 3, 4-осциллограф.

 

Изменяя частоту генератора от 50Гц до 20КГц, зарисуйте полученные осциллограммы в пределах одного периода при заданных преподавателем частотах. Сделайте вывод о зависимости выпрямляющих свойств p-n перехода от частоты.

По полученным осциллограммам и формуле (2) оцените время жизни t неосновных носителей заряда в базе диода. Проанализируйте его зависимость от частоты.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Сформулируйте основные положения зонной теории.

2. Как получить полупроводники p- и n - типов?

3. Объясните образование потенциального барьера на контакте двух полупроводников в отсутствие внешнего поля и при его наличии.

4. Как зависят диффузионный и дрейфовый токи диода от приложенного напряжения? Каким соотношением описывается вольт – амперная характеристика?

5. Почему при больших обратных напряжениях на диоде величина его обратного тока резко возрастает?

6. Как зависит выпрямляющее действие полупроводникового диода от частоты?

 

Список литературы

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983. Т.1.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир,1983.

3. Князев Б. А., Черкасский В. С. Начала обработки экспериментальных данных: Учеб. пособие. Новосибирск: НГУ, 1996.

4. Методы физических измерений / Под ред. Р. И. Солоухина. Новосибирск, 1975.