Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический
университет им. Г.И. Носова”
Кафедра механизации и электрификации
Горных производств
Исследование
Полупроводникового диода
Методические указания к лабораторной работе
по дисциплине “Силовая преобразовательная
техника и элементы автоматики”
для студентов специальности 150402
Магнитогорск
Составители: Шебаршов А.А.
Савельев В.И.
Исследование полупроводникового диода: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Силовая преобразовательная техника и элементы автоматики” для студентов специальности 150402. Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2011. 9 с.
Содержат теоретические сведения о выпрямляющем электрическом p-n-переходе диодов. Приведены краткое описание стенда, порядок выполнения работы, требования к содержанию отчета и контрольные вопросы для подготовки и защиты лабораторной работы.
Рецензент
© А.А. Шебаршов,
В.И. Савельев, 2011
Цель работы: имитация выпрямляющего электрического p-n-перехода диода при инжекции и экстракции носителей заряда с использованием ЭВМ.
Используемое оборудование: ЭВМ с установленным программным продуктом схемотехнического моделирования Electronics Workbench Multisim версии 10.1 или выше и модель лабораторного стенда для исследования полупроводникового диода в виде схемы замещения, разработанную на кафедре МиЭГП.
Общие СВЕДЕНИЯ
Структура и основные элементы
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.
В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный переход, гетеропереход или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником (переход Шотки).
В диоде с p-n-переходом или с гетеропереходом кроме выпрямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- и n-области диода соединены с выводами (рис. 1, а). В диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего один омический переход (рис. 1, б).
Рис. 1. Структуры полупроводниковых диодов:
а – с выпрямляющим электрическим переходом в виде p-n-перехода, б – с выпрямляющим электрическим переходом на контакте между металлом и полупроводником, В – выпрямляющие электрические переходы, Н – невыпрямляющие, т. е. омические переходы.
Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-n-переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. при прямом направлении для p-n-перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированной в слаболегированную область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. Область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, называют базой диода, т. е. в диоде базовой областью является слаболегированная область.
Если к диоду с несимметричным p-n-переходом приложено напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. в обратном направлении для p-n-перехода, то экстракция неосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Таким образом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики и параметры диода.
В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и характеристической длины различают плоскостные и точечные диоды. Характеристической длиной для диода является наименьшая по значению из двух величин, определяющая свойства и характеристики диода: диффузионная длина неосновных носителей заряда в базе или толщина базы.
Плоскостным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно больше характеристической длины.
Точечным называют диод, у которого линейные размеры, определяющие площадь выпрямляющего электрического перехода, значительно меньше характеристической длины.
В выпрямляющем электрическом переходе и прилегающих к нему областях происходят разнообразные физические процессы, которые могут приводить к эффекту выпрямления, к нелинейному росту тока с увеличением напряжения, к лавинному размножению носителей заряда при ударной ионизации атомов полупроводника, к туннелированию носителей сквозь потенциальный барьер выпрямляющего электрического перехода как при обратном, так в определенных условиях и при прямом напряжении, к изменению барьерной емкости с изменением напряжения, к эффекту накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в прилегающих к выпрямляющему переходу областях. Все эти эффекты используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных, смесительных, детекторных и переключательных, диодов с резким восстановлением обратного сопротивления, стабилитронов, стабисторов, шумовых, лавинно-пролетных, туннельных и обращенных диодов, варикапов. Некоторые из перечисленных эффектов являются нежелательными и даже вредными в одних диодах, но в других диодах эти же эффекты могут служить основой принципа действия.
Прямое включение диода
При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n-переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэтому высота потенциального барьера перехода уменьшается пропорционально приложенному к диоду напряжению. Пренебрегая падением напряжения на базе диода, рассмотрим диод при малых прямых токах.
С уменьшением высоты потенциального барьера увеличивается количество носителей заряда, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в соседнюю область диода, где они окажутся неосновными носителями (рис. 2). Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда через p-n-переход.
Рис. 2. Пространственное распределение зарядов (а, б, в) и
энергетические диаграммы p-n-перехода (г, д, е):
а, г – внешнее напряжение отсутствует (),
б, д – внешнее напряжение прямое (),
в, е – внешнее напряжение обратное ().
Так как высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению, а носители заряда распределены по энергиям по экспоненциальному закону в соответствии со статистикой Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана, то прямая ветвь ВАХ диода должна быть похожа на экспоненту (рис. 3).
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика диода
при инжекции и экстракции носителей заряда
При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, например, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости). Из-за этих двух причин прямой ток через диод увеличивается с ростом температуры при неизменном прямом напряжении (рис. 4, а).
Рис. 4. Прямые ветви ВАХ диода:
а) при разных температурах,
б) при разной ширине запрещенной зоны исходного материала,
в) при разной концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях.
Если сравнить прямые ветви двух диодов, изготовленных из разных материалов, с разной шириной запрещенной зоны, то у диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера. Следовательно, прямой ток через диод из материала с большей шириной запрещенной зоны будет меньше при том же прямом напряжении (рис. 4, б).
С увеличением концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях будет увеличиваться высота потенциального барьера перехода, а значит, будет меньше прямой ток при том же прямом напряжении (рис. 4, в).