Лабораторная работа № 1.

Исследование полупроводниковых диодов.

Целью работы является изучение особенностей вольтамперных характеристик различных типов полупроводниковых диодов.
Краткие теоретические сведения.
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. 1.1.


Рис. 1.1. Структура и условное обозначение полупроводникового диода.
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 квантовомеханическими туннельными эффектами, лавинообразным ростом неосновных носителей из-за большой напряженности электрического поля в объеме p-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. 1.2.

---

Рис. 1.2. Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, изготовленных из разных материалов.

У реальных диодов величина обратного тока зависит от материала полупроводника. Для кремниевых диодов при комнатной температуре имеет порядок единиц-десятков микроампер, для германиевых – сотни микроампер, миллиамперы. Напряжение пробоя определяется характеристиками полупроводниковых материалов и может лежать в пределах от единиц вольт до киловольт.

Величина прямого тока через диод связана с приложенным напряжением следующим образом:

, , (1.2)

где – ток насыщения; – прямое напряжение; – температурный потенциал; – постоянная Больцмана; – заряд электрона; – абсолютная температура.

При температуре =25мВ. Из соотношения (1.2) следует, что для прямых напряжений порядка одного вольта ток через p-n переход может достигать значений десятков и сотен ампер. При подаче одного и того же прямого напряжения через германиевый диод будет протекать больший ток, чем через кремниевый. Это объясняется соответствующей разницей ширины запрещенной зоны этих полупроводников.

Зависимость обратного тока p-n перехода от напряжения описывается тем же соотношением, но напряжение

---

Uимеет отрицательный знак. На приведенных вольтамперных характеристиках (ВАХ) диодов, масштабы токов и напряжений прямой и обратной ветвей для наглядности выбраны различными.

Кроме полупроводниковых диодов с p-n переходом существует разновидность кремниевых диодов, у которых один из слоев полупроводника заменен металлом и образует с другим слоем выпрямляющий контакт (рис. 1.3). Такие диоды носят название диодов Шоттки и отличаются тем, что прямая ветвь их вольтамперной характеристики лежит в промежутке между соответствующими ветвями германиевого и кремниевого диодов. Кроме того, диоды Шоттки обладают очень малой емкостью в запертом состоянии, а напряжение пробоя для них не превышает нескольких десятков вольт.

Рис. 1.3. Структура и условное обозначение диода Шоттки.
Полупроводниковые диоды характеризуются рядом параметров, описывающих особенности прямой и обратной ветвей их вольтамперных характеристик в статическом, установившемся состоянии. Одним из таких параметров является прямое падение напряжения при заданном прямом токе . Следующий параметр – прямое дифференциальное сопротивление диода, определяемое из соотношения:

, (1.4)

где – изменение прямого тока в области , а – соответствующее ему изменение прямого напряжения. Из структуры прямой ветви ВАХ диода следует, что является функцией протекающего тока или приложенного напряжения, и, в частности, оно уменьшается с ростом их величин.

Для идеального p-n перехода величина прямого сопротивления может быть вычислена по формуле:

. (1.5)

Прямое сопротивление реального диода всегда выше (при тех же токах ) сопротивления p-n перехода из-за потерь в полупроводнике и токоподводящих контактах.

---

Дифференциальное обратное сопротивление диода определяется следующим образом:

. (1.6)

Величина прямого сопротивления обычно лежит в пределах от сотых долей Ома до сотен Ом, а обратное сопротивление может принимать значения от единиц килоом до сотен мегаом.

Важными статическими параметрами полупроводникового диода являются также максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение, определяемое как 0,8 , где - напряжение электрического пробоя и другие.

При протекании через p-n переход прямого тока в соответствующие слои полупроводника вводятся (инжектируются) неосновные носители, которые там накапливаются. В «p» полупроводник инжектируются электроны, а в «n» полупроводник – дырки.

Если в какой-либо момент времени изменить полярность приложенного к диоду напряжения на запирающую, то на начальном этапе после смены полярности обратный ток будет достаточно большим. Это связано с тем, что накопленные неосновные носители в течение некоторого времени возвращаются через p-n переход в те области, из которых они были инжектированы. И только после вывода всех избыточных неосновных носителей обратный ток через диод будет соответствовать выражению (1.1). Примерная картина изменения обратного тока диода при резкой смене полярности приложенного напряжения приведена на рис. 1.4.



Рис. 1.4. Временные диаграммы процессов, протекающих при запирании полупроводникового диода.
Количество накопленных неосновных носителей определяется в основном прямым током через диод. В связи с этим амплитуда импульса обратного тока будет прямо пропорциональна величине прямого. Процесс запирания диода разделяется на две стадии (рис. 1.4): стадия высокой обратной проводимости (интервал времени ), когда величина тока ограничивается сопротивлением внешней цепи, и стадия восстановления обратного сопротивления (интервал времени , где

---

Смотрите также файлы

• Фенотип это.pptx

• Практическая работа по теме 1 Изучение фундаментальных основ современных технологий на уроках информатики и во внеурочной деятельности Название работы Отбор .docx

• Стремительное развитие международной торговли делает все более актуальной цифровизацию сопровождающих ее процессов, что позволяет упрощать процедуры, снижать издержки и минимизировать коррупцию.docx

• Практическая работа 3 Описать перечень нормативноправового обеспечения, регламентирующего.docx

• Контрольные вопросы для самопроверки знаний по разделу дисциплины физической химии Химическая термодинамика.doc