Исследование полупроводникового диода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра электроники

Отчет по лабораторной работе

Исследование полупроводникового диода

Г.Уфа

2016

Цель работы: изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нем. Исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости р и n.

Вольтамперная характеристика идеализированного р-п перехода, представляющая собой зависимость тока I от приложенного к переходу напряжения V имеет вид:

. (1.1)

В этих формулах - сумма плотностей тока, S - площадь перехода .

Предэкспоненциальный множитель в (1.1)

(1.2)

называют током насыщения р-n перехода или обратным тепловым током. Как вытекает из (1.2), ток насыщения определяется концентрацией неосновных носителей тока, что обуславливает малое значение тока насыщения и его сильную зависимость от температуры.

а) б)

Рис.1.1

При прямом смещении , что обеспечивается подачей на полупроводниковый диод прямого напряжения (рис.1.1 а) , как следует из формулы (1.1), ток через р-n переход будет расти по экспоненциальному закону с ростом напряжения. При обратном смещении (рис.1.1 б) ток стремится к току насыщения I_S. Величина обратного тока насыщения у германиевых полупроводниковых диодов имеет порядок , а у кремневых - .

Таким образом, р-n переход характеризуется односторонней проводимостью. На явлении односторонней проводимости р-n перехода основана работа выпрямительных, универсальных и некоторых СВЧ диодов.

На рисунке 1.2 приведены вольтамперные характеристики идеализированного р-n перехода, изготовленного из германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.2. Вольтамперные характеристики идеализированного р-n перехода германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

Величина прямого напряжения, при которой начинает протекать значительный прямой ток, называется пороговым . Как видно из рисунка, пороговое напряжение кремниевого р-n перехода больше чем германиевого: и . Концентрация собственных носителей, а вместе с ним и концентрация неосновных носителей тока на основе закона действующих масс, в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Поэтому обратные токи в германиевых р-n переходах также значительно выше чем в кремниевых. Меньшее пороговое напряжение и значительно большие обратные токи в германиевых р-n переходах чем в кремниевых обусловлены меньшей шириной запрещенной зоны германия чем кремния.

Если степень легирования р- и n- областей р-n перехода примерно одинакова, то такой р-n переход является симметричным и электроны и дырки через р-n переход инжектируются в равной степени. На практике находят применение несимметричные переходы, в которых обеcпечивается инжекция только одних типов носителей тока, например, в основном только дырок, если р- область легировано сильнее , или только электронов в противном случае . В несимметричных переходах высоколегированную (низкоомную) область принято называть эмиттером, а низколегированную (высокоомную) область - базой.

Вольтамперная характеристика реального р-n перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики (1.1) не учитываются целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-n перехода от идеализированной.

На вид реальной вольтамперной характеристики р-n перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции.

Величина обратного тока в реальных р-n переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) из-за тока термогенерации в запорном слое перехода; 2) из-за поверхностных токов утечки на переходе и 3) из-за явления пробоя перехода при больших напряжениях.

При обратном напряжении на р-n переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары, что создает дополнительный обратный ток - ток генерации . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-n перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей.

В реальных р-n переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-n перехода и протекания токов утечки Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина обратного тока составит:

.

При больших обратных напряжениях возможен пробой р-n перехода, что приводит к резкому росту обратного тока. Пробой р-n перехода играет важную роль в работе ряда полупроводниковых приборов, например, в стабилитронах, поэтому это явление рассмотрим более подробно.

В кремниевых р-n переходах обычно наблюдается электрический пробой, который обусловлен лавинным размножением носителей тока или туннельным их прохождением через р-n переход. Явление электрического пробоя используется для создания стабилитронов.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви вольтамперной характеристики которого имеется участок с сильной

зависимостью тока от напряжения (рис. 1.3.), т.е. с большим значением крутизны .Работа стабилитронов основана на явлении электрического пробоя обратно включенного кремниевого р-n перехода.

Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации , определяемое напряжением пробоя p-n перехода при некотором заданном токе стабилизации I_ст. Если <5В, то пробой перехода носит туннельный характер, если более 7В - то лавинный характер. При = (5…7)В, то имеет место смешанный пробой.

Рис.1.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона общего назначения а) и его условно-графическое обозначение б).

Стабилизирующие свойства стабилитронов характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона в области стабилизации

,

которое должно быть как можно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации:

где - изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением температуры . Температурный коэффициент напряжения стабилизации является отрицательным, если пробой перехода вызван туннельным прохождением электронов через переход, или положительным в случае лавинного пробоя перехода.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: от 3,3 до 180В, токи стабилизации от 0,5мА до 1,4А; _ст от 0,01 до 0,001% град^-1; r_д от долей и единиц Ома (у мощных стабилитронов) до сотен Ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие _ст до 0,0005% град^-1, т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения. Прецизионные стабилитроны представляют собой три р-n перехода, два из которых включены в прямом направлении, а третий работает в режиме лавинного пробоя. Напряжение стабилизации в них определяется суммой трех напряжений

где и - пороговые напряжения р-n переходов, включенных в прямом направлении, а - напряжение стабилизации определяемого третьим р-n переходом, работающего в режиме лавинного пробоя.

Малое значение _ст в прецизионных стабилитронах обусловлен тем, что прямо включенные кремниевые р-n переходы имеют отрицательное значение температурного коэффициента порогового напряжения, а лавинный пробой - положительное значение, что приводит к взаимной компенсации изменения напряжения стабилизации с изменением температуры. Отметим, что у прецизионных стабилитронов ток в прямом направлении практически отсутствует, так как в них первый и второй переходы при этом включены в обратном направлении. Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой два встречно включённых p-n-перехода. Двуханодные стабилитроны имеют симметричную вольтамперную характеристику.

Для стабилизации малых напряжений используется прямая ветвь ВАХ-ки диода. Такие приборы называются стабисторами и они изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Выпускаются стабисторы с одним, двумя и тремя р-n переходами, включенных последовательно и имеющих соответственно 0,7В, 1,4В и 2,1В.

Схемы исследований

На рис.1.4.а. и 1.4.б. приведены схемы для снятия вольтамперной характеристики диода. Необходимость использования двух схем для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики вызвана тем, что, во-первых, напряжение на диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше чем при обратном. Поэтому используются разные источники питания «Е_п1» и «Е_п2» и последовательность включения измерительных приборов для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики.

a б

Рис.1 Схемы для снятия ВАХ при прямом(а), и обратном(б) подключении.

В данной работе используется диод Д7А- германиевый сплавной. Выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип диода и схема присоединения электродов с выводами приводится на корпусе. Масса диода не более 2 грамм. Стабилитрон КС447А. Стабилитрон кремниевый. Предназначен для работы в схемах стабилизации и ограничения напряжения. Выпускается в металлическом корпусе с гибкими выводами. Тип прибора и полярность электродов указывается на боковой поверхности корпуса.  Масса прибора не более 1 г.

Паспортные данные диода Д7А

Паспортные данные стабилитрона КС447А

Выполнение работы:

1).ВАХ диода Д7А при прямом включении

2). По графику определили пороговое напряжение U=0.25B.

3)На графике задали рабочую точку А: U=0.29B; I=60mA

4). Нашли статическое сопротивление в рабочей точке

; = 4.83Om

4). Задали область около рабочей точки и рассчитали дифференциальное сопротивление ?U= 0.31-0.27= 0.04B; ?I=80-40=40mA;

==1.0 Om.

5). ВАХ диода Д7А при обратном включении.

6). На графике задали рабочую точку А: U= -5.39B; I= -0.033mA.

7). Нашли статическое сопротивление в рабочей точке R=;

R= =163kOm

8). Задали область около рабочей точки и рассчитали дифференциальное сопротивление ?U= -10.5-(-1.35)= -9.15; ?I= -0.033-(-0.027)= -0.006mA;

= =1.5МOm.

9).ВАХ стабилитрона КС447А при прямом включении.

10). На графике задали рабочую точку А: U=0.655B; I=60mA.

11). Нашли статическое сопротивление в рабочей точке

R=;=10.9Om;

12). Задали область около рабочей точки и рассчитали дифференциальное сопротивление : ?U=0.665-0.645=0.01B; ?I=80-40=40mA;

= = 0.25Om.

13). ВАХ стабилитрона КС447А при обратном включении.

14). По графику определили напряжение стабилизации :

U_ст= -4,4В I_ст= -60mA

15). Нашли статическое сопротивление в рабочей точке

R=;

15).Задали область стабилизации и вычислили дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации: ?U= -4.5B-(-4.35)B= -0.15B

?I= -80mA-(-40) mA= 40mA

= = 3.75Om

Вывод

полупроводниковый диод стабилитрон вольтамперный

1. С помощью этой лабораторной работы мы доказали что полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью. Это показывает вольтамперная характеристика диода.

При небольшом напряжении U=0,25 B. на зажимах диода в цепи проходит относительно большой ток I=20 mА, а при значительном обратном напряжении U= -17,42 В., ток ничтожно мал I=34 МкА. Вольтамперная характеристика реального р-n перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики не учитываются целый ряд факторов.

Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-n перехода от идеализированной. На вид реальной вольтамперной характеристики р-n перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции.

2. Результаты экспериментальных исследований показали, что стабилитрон имеет не линейную ВАХ. Дифференциальное сопротивление стабилитрона понижается с ростом тока.

Стабилитрон постоянно работает в режиме пробоя, и обеспечивает стабилизацию напряжения при достаточно большом изменении силы тока, протекающего через него. Благодаря этому стабилитроны широко применяются в источниках питания. Дифференциальное сопротивление стабилитрона состовляет r_d=3.75 Ом.

Для идеального стабилитрона дифференциальное сопротивление равно нулю и рабочую (обратную) ветвь вольт-амперной характеристики можно аппроксимировать двумя отрезками прямых. При напряжении, меньшем напряжения стабилизации, ток через стабилитрон близок к нулю. При напряжении, равном напряжению стабилизации, изменение тока через стабилитрон не приводит к значительному изменению напряжения на нем.

Размещено на Allbest.ru