Исследование полупроводниковых диодов

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Исследование полупроводниковых диодов

Составители: А.П. Абрамов,

В.В. Опарин

Санкт-Петербург

2007



ВВЕДЕНИЕ

Перед выполнением лабораторной работы студент должен повторить или усвоить самостоятельно теоретический материал по теме работы, знать цель работы, основные свойства и характеристики исследуемых полупроводниковых приборов.

До начала работы в лаборатории каждый студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, о чем делается отметка в специальном журнале.

Лабораторные работы выполняются бригадой из 2-3 студентов на универсальных измерительных стендах. Все стенды содержат аналоговые и цифровые источники питания и четыре многофункциональных цифровых измерительных прибора.

Монтаж электрической схемы измерений производится с помощью комплекта соединительных проводов в соответствии со схемой, приведенной в инструкции к лабораторной работе. Собранную схему необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту и только с их разрешения включить питание стенда.

Проведение исследований осуществляется в соответствии с заданием и в указанной последовательности. Результаты измерений заносятся в протокол испытаний, который по окончании исследований должен быть представлен для проверки преподавателю.

В процессе выполнения лабораторной работы возможно возникновение следующих опасных факторов: поражение электрическим током и возникновение пожара вследствие того, что электропитание лабораторных установок осуществляется от электросети напряжением 220В частотой 50 Гц.

С целью обеспечения безопасности при работе на лабораторных установках следует руководствоваться ГОСТ 12.3.019-80 «Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности». Конструкции лабораторных установок выполнены с учетом требований ОСТ 40.4-78 «Оборудование учебно-лабораторное. Общие технические требования». В лабораторных установках применены стандартные приборы, выпускаемые промышленностью с учетом требований безопасности. Помещение, в котором находятся лабораторные установки, удовлетворяет требованиям пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004-76 и санитарным нормам СН-245-71.

При выполнении лабораторной работы запрещается:

· приступать к выполнению лабораторной работы без инструктажа по технике безопасности и разрешения преподавателя;

· включать силовые рубильники в лаборатории;

· самостоятельно ремонтировать лабораторный стенд и измерительные приборы;

· оставлять без наблюдения включенную лабораторную установку;

· изменять конфигурацию схемы при включенном питающем напряжении;

· загромождать рабочее место портфелями и другими предметами.



1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Цель работы: изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды, измерение их вольт - амперных характеристик и определение основных параметров .

1. Методические указания по подготовке к работе

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Графическое изображение выпрямительного диода (I_пр - направление прямого тока)

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n-перехода

(1.1)



где: I₀ - обратный ток насыщения;

ц_Т - температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U - напряжение, прикладываемое к диоду.

В уравнение (1.1) напряжение U подставляется со знаком «плюс» при включении диода в прямом направлении и со знаком «минус» при включении диода в обратном направлении. Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (1.1), представлен на рис. 1.2,а. При увеличении обратного напряжения U_обр обратный ток I_обр, протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I₀ уже при U_обр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I₀.

Рис. 1.2 Вольт - амперные характеристики выпрямительного диода: а - теоретическая; б - экспериментальная

При выводе уравнения (1.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 1.2,б).

Отличие экспериментальной обратной ветви ВАХ диода от теоретической обусловлено наличием в реальном диоде не только диффузионного тока экстракции, но и дрейфового тока термогенерации, а также возможностью пробоя p-n-перехода. Ток термогенерации протекает вследствие выброса полем p-n-перехода подвижных носителей заряда, появляющихся в p-n-переходе в результате термогенерации. Так как при обратном напряжении электрическое поле существует только внутри p-n-перехода, то в токе термогенерации участвуют только те подвижные носители заряда, которые рождаются в самом p-n-переходе, т.е. внутри запирающего слоя. Поскольку количество генерируемых носителей зарядов в p-n-переходе пропорционально объему запирающего слоя, ширина которого пропорциональна , то при увеличении обратного напряжения ток термогенерации будет расти также по закону . Поэтому на ВАХ, снятой экспериментально, при увеличении U_обр до определенного значения наблюдается небольшой рост обратного тока. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = I_обр U_обр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 1.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80)⁰С, а кремниевых - (120-150)⁰С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R₁ электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через R_зс, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов R_зс и R₁ (рис. 1.3). При прохождении прямого тока I_пр на сопротивлении R₁ падает часть напряжения U_пр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:



Рис. 1.3 Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода с распределенным сопротивлением полупроводника

Поскольку U_зс < U_пр вольт - амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.

С увеличением прямого напряжения U_пр сопротивление запирающего слоя R_зс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении U_пр, сопротивлением запирающего слоя R_зс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- - максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

- - максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

- прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 1.2) с использованием следующих соотношений:

R_{д пр} = U_пр1 / I_пр1; R_{д обр} = U_обр / I_обр;

- прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

При этом значения приращений тока ДI и напряжений ДU определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 1.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

r _{i .пр} = ДU_пр / ДI_пр; r _{i. обр} = ДU_обр / ДI_обр.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Так как допустимая плотность тока, проходящего через p-n-переход, не превышает 2А /1мм² , то для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют p-n-переходы большой площади. Получающаяся при этом большая емкость p-n-перехода существенного влияния на работу выпрямительного диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны ДW. На рис. 1.4 представлены вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (1.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением U_обр, так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

Рис. 1.4 Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов

При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от ДW, так как увеличение ДW приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (1.1): вследствие меньшего значения I₀ для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях I_пр, мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше U_пор и r_{i пр}.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10⁰С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых - в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

2. Схемы исследования

Схемы исследования прямой и обратной ветви вольт - амперной характеристики выпрямительного диода представлены на рис. 1.5. Каждая из этих схем собирается поочередно в левом верхнем квадранте монтажного шасси с использованием комплекта соединительных проводов.

Рис. 1.5 Схемы исследования вольт - амперной характеристики выпрямительного диода: а - прямой ветви ВАХ, б - обратной ветви ВАХ

Напряжение питания подается с гнезд источника стабилизированного напряжения Е-1, снабженного собственной цифровой индикацией и плавной регулировкой R9 выходного напряжения.

Измерения напряжения, приложенного к выпрямительному диоду, и постоянного тока, протекающего во внешней цепи диода, осуществляются с помощью цифровых тестеров серии MY6x. При этом тестер, используемый для измерения тока, всегда включается последовательно с исследуемым объектом; а тестер, используемый для измерения напряжения, всегда включается параллельно с исследуемым объектом.

Для измерения постоянного напряжения красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (V/?/Hz), а переключатель «род работы и пределы» (РРП) должен быть установлен в сектор “V=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.

Для измерения постоянного тока красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (A), если измеряемый ток больше 200mA, либо к гнезду (mA), если измеряемый ток меньше 200mA. Переключатель РРП должен быть установлен в сектор “A=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.

3. Порядок выполнения работы

3.1. На тестере ММ-1 переключатель РРП установить в положение (⁰С). Включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Определить температуру окружающей среды Т_окр.ср., считав показания тестера, и полученный результат занести в таблицы 1.1 и 1.2. Выключить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off).

3.2. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,а, используя тестеры ММ-2 и ММ-3, а в качестве исследуемого объекта германиевый выпрямительный диод Д305. Установить регулировку напряжения R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение, вращая ее против часовой стрелки. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-3 установить в секторе “A=” на предел измерения 10А, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «А». Убедиться, что расположенные на монтажном шасси переключатель П1 находится в положение «Выкл.», а переключатель П2 - в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки. После проверки схемы преподавателем включить тестеры ММ-2 и ММ-3 нажатием красных кнопок (on/off) и включить источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать прямую ветвь ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость



I_пр = ѓ(U_пр),

где I_пр - прямой ток, протекающий во внешней цепи диода, а U_пр - прямое напряжение, приложенное к диоду.

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-3 значения I_пр от 0 до 0,04A с шагом 0,01A, а от 0,04 до 0,28A с шагом 0,04A. При каждом значении I_пр с помощью тестера ММ-2 фиксировать значения U_пр и полученные результаты занести в таблицу 1.1.

Установить R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение. Заменить германиевый выпрямительный диод Д305 на кремниевый выпрямительный диод КД202А и аналогичным образом исследовать прямую ветвь его ВАХ при комнатной температуре. Результаты измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Токр. ср (0С)	Тип диода	Iпр, A
х	Д305	Uпр, В
у	КД202А	Uпр, В

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3.

3.3. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,б, используя в качестве исследуемого объекта германиевый выпрямительный диод Д305. Для коммутации полярности подключенного источника питания Е-1 на противоположную установить переключатель П2, расположенный на монтажном шасси, в положение «Обр. ветвь ВАХ ГД, КС». Установить переключатель РРП тестера ММ-2 в секторе “V=” на предел измерения 20В, а тестера ММ-3 - в секторе “A=” на предел измерения 2mА, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «mА». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить тестеры ММ-2 и ММ-3 нажатием красных кнопок (on/off) и включить источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать обратную ветвь ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость I_обр = ѓ(U_обр), где I_обр - обратный ток, протекающий во внешней цепи диода, а U_обр - обратное напряжение, приложенное к диоду.

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-2 значения U_обр от 0 до -10В с шагом -1В. При каждом значении U_обр с помощью тестера ММ-3 фиксировать значения I_обр и полученные результаты занести в таблицу 1.2. Отметить I_обр при U_обр = -0,2В.

Таблица 1.2

Токр. ср (0С)	Тип диода	Uобр, В
	Д305	Iобр, mA

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3.

3.4. Открыть крышку термостата и, установив в ее гнезда германиевый выпрямительный диод Д305, вернуть крышку в исходное положение. Установить переключатель РРП тестера ММ-1 в положение (⁰С). Подключить к гнездам «TEMP» тестера ММ-1 желтую вилку термопары, соблюдая при этом «ключ» ее включения. Подключить термостат к гнездам “p” и “n” монтажного шасси с помощью соединительных проводов термостата, имеющих на конце аналогичные обозначения. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Включить термостат, для этого переключатель «Х» установить в положение «Вкл.», а переключатель «У» - в положение «ОХЛАЖДЕНИЕ». Когда показания на цифровом табло тестера ММ-1 достигнут значений -2⁰С?Т_окр.ср.?0⁰С, по аналогии с пунктом 3.3 провести исследование обратной ветви ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305. Результаты измерений занести в таблицу 1.3.

Отметить I_обр при U_обр = -0,2В.

Таблица 1.3

Токр. ср (0С)	Тип диода	Uобр, В
	Д305	Iобр, mA

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3. Термостат и тестер ММ-1 не выключать.

3.5. Собрать схему, изображенную на рис. 1.5,а_. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-3 установить в секторе “A=” на предел измерения 10А, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «А». Установить переключатель П2, расположенный на монтажном шасси, в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы включить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3. По аналогии с пунктом 3.2 провести исследование прямой ветви ВАХ германиевого выпрямительного диода Д305 при пониженной температуре окружающей среды. Результаты измерений занести в таблицу 1.4.

Установить R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение. Заменить германиевый выпрямительный диод Д305 на кремниевый выпрямительный диод КД202А. Через (10-15) мин исследовать прямую ветвь ВАХ диода КД202А при пониженной температуре. Результаты измерений занести в таблицу 1.4.



Таблица 1.4

Токр. ср (0С)	Тип диода	Iпр, A
Х	Д305	Uпр, В
у	КД202А	Uпр, В

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить термостат, источник питания Е-1 и тестеры: ММ-1, ММ-2 и ММ-3.

4. Обработка результатов измерений

4.1. Вольт - амперные характеристики исследуемых диодов следует строить как зависимость тока, протекающего через диод, от напряжения, приложенного к диоду. Прямую и обратную ветвь ВАХ следует строить на одном графике в I и III квадрантах соответственно, используя при этом разные масштабы.

4.2. Определить дифференциальное сопротивление

полупроводниковый диод стабилитрон электрический

r _i.пр = ДU_пр / ДI_пр

на прямой ветви каждого диода для точки, соответствующей значению прямого тока I_пр = 200mA. Приращения тока ДI_пр и прямого напряжения ДU_пр брать такими, чтобы не выйти за пределы линейного участка ВАХ (рис. 1.2).

4.3. На графике ВАХ германиевого диода, полученной экспериментально, построить прямую ветвь теоретической ВАХ, которая рассчитывается по формуле (1.1). Для расчета прямой ветви теоретической ВАХ германиевого диода необходимо в формулу (1.1) подставлять следующие значения постоянных и переменных величин:

I₀ - обратный ток насыщения диода; (значение I₀ определяется по обратной ветви ВАХ германиевого диода, снятой при комнатной температуре, для U_обр = -5В);

ц_т - температурный потенциал, равный 0,026В при комнатной температуре;

U_пр - прямое напряжение, прикладываемое к диоду; (значения U_пр берутся в интервале от 0 до 0,2В с шагом 0,02В).

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· Наименование и цель работы;

· Схемы измерений;

· Таблицы измеренных и расчетных данных;

· Графики ВАХ диодов, построенных для разных Т_{окр. ср} ;

· График ВАХ германиевого выпрямительного диода, рассчитанный по формуле (1.1);

· Рассчитанные значения дифференциальных сопротивлений исследованных диодов;

· Краткие выводы по результатам проделанной работы.

6. Контрольные вопросы

1. Объясните механизм образования p-n-перехода. Почему на p-n-переходе возникает контактная разность потенциалов и от чего она зависит?

2. Какие физические процессы вызывают прохождение через диод прямого и обратного токов?

3. Нарисуйте и объясните энергетическую диаграмму p-n-перехода в отсутствие внешнего напряжения, при приложении напряжения в прямом и обратном направлении.

4. Объясните влияние температуры и концентрации примесей на толщину p-n-перехода и величину контактной разности потенциалов.

5. Поясните причины отличий ВАХ реального полупроводникового диода от ВАХ p-n-перехода, рассчитанной с помощью уравнения (1.1).

6. Чем отличаются ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных диодов и почему?



2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИСТОРА, СТАБИЛИТРОНА И ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА

Цель работы: изучение свойств полупроводникового стабистора, стабилитрона и туннельного диода, исследование их вольт - амперных характеристик и определение основных параметров .

1. Методические указания по подготовке к работе

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в электрических схемах. Для этого используются полупроводниковые приборы, у которых на вольт - амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви ВАХ кремниевого диода в режиме электрического пробоя, связанного с увеличением напряженности электрического поля в p-n-переходе. При этом электрический пробой p-n-перехода делится на два вида: туннельный и лавинный.

Туннельный пробой обусловлен прямым переходом электронов из валентной зоны одного полупроводника в зону проводимости другого. Это становится возможным, если напряженность электрического поля в p-n-переходе из кремния достигает значения 4·10⁵В/см, а из германия - 2·10⁵В/см. Такая большая напряженность электрического поля возможна при высокой концентрации примесей в p- и n-областях, когда толщина p-n-перехода становится весьма малой. Под действием сильного электрического поля валентные электроны вырываются из связей, образуя парные заряды электрон - дырка, которые увеличивают обратный ток через p-n-переход.

В широких p-n-переходах, образованных полупроводниками с меньшей концентрацией примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой. Лавинный пробой возникает тогда, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины p-n-перехода. Если за время свободного пробега электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в p-n-переходе, то наступает ударная - ионизация атомов, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток p-n-перехода.

В качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Условное графическое изображение полупроводниковых стабилитронов показано на рис. 2.1,а. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например, КС147А или 2С147А.

Рис. 2.1 Графическое изображение (а) и вольт - амперная характеристика (б) стабилитрона

На ВАХ полупроводникового стабилитрона (рис. 2.1,б) точками «А» и «В» отмечены границы рабочего участка характеристики. Положение точки «А» соответствует напряжению пробоя p-n-перехода. Напряжение пробоя U_проб зависит от величины удельного сопротивления исходного материала полупроводника и концентрации примесей. Точка «В» соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность - P_max.

Стабилитроны характеризуются специальными параметрами, указанными на рис. 2.1,б.

Напряжение стабилизации U_ст - напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. При большой концентрации примеси p-n-переход получается тонким и в нем уже при малых обратных напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наступает раньше, чем напряженность электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя.

Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжение стабилизации. Практически при напряжениях стабилизации ниже 6В имеет место только туннельный пробой, а при напряжениях выше 8В - лавинный. В интервале от 6В до 8В наблюдаются оба вида пробоя.

Минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min} - ток, при котором пробой p-n-перехода становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы стабилитрона.

Максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max} - ток, при котором достигается максимально допустимая мощность P_max, рассеиваемая стабилитроном.

Дифференциальное сопротивление

r_{ст диф.} = dU_ст / dI_ст

отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока стабилизации. Чем меньше величина r_{ст диф.}, тем лучше стабилизация напряжения.

Для стабилизации низких напряжений (до 1В) используют прямую ветвь вольт - амперной характеристики диода при U_ст > U_к. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего через него тока. Такие полупроводниковые приборы называют стабисторами. Вольт - амперная характеристика стабистора приведена на рис. 2.2,а. Обозначение стабистора, его графическое изображение и схема включения представлены на рис. 2.2,б. Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми стабисторами имеют селеновые стабисторы.

Рис. 2.2 Вольт - амперная характеристика (а) и графическое изображение (б) стабистора

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема стабилизатора напряжения показана на рис. 2.3. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке R_н, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся функционально необходимым элементом.

Рис. 2.3 Схема стабилизатора напряжения

Для схемы, показанной на рис. 2.3, справедливо уравнение

(2.1)



После преобразования уравнения (2.1) получим

(2.2)

На основании уравнения (2.2) на графике обратной ветви ВАХ стабилитрона может быть построена линия нагрузки. Точка, в которой линия нагрузки пересекается с обратной ветвью ВАХ стабилитрона, называется рабочей точкой. При изменении напряжения источника питания Е - линия нагрузки перемещается параллельно самой себе (рис. 2.4,а), а при изменении сопротивления нагрузки R_н - изменяется ее наклон (рис.2.4,б). При этом если рабочая точка не выходит из границ участка АВ, то напряжение на нагрузке остается практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке остается постоянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме заключается в следующем.

Увеличение напряжения источника питания на величину ДЕ приводит к увеличению общего тока в цепи

I = I_ст + I_н.

Поскольку при изменении тока, проходящего через стабилитрон, напряжение на нем остается практически неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки I_н можно пренебречь. Падение приращения напряжения источника питания ДЕ почти целиком произойдет на ограничительном резисторе R.

При уменьшении напряжения источника питания на величину ДЕ общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не привело к выходу рабочей точки за пределы рабочего участка (АВ) характеристики стабилитрона, то напряжение на нагрузке останется неизменным, а напряжение на резисторе R уменьшится на величину ДЕ. Таким образом, наличие ограничительного резистора R в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения является принципиально необходимым.

Рис. 2.4 Вольт - амперная характеристика стабилитрона и линии нагрузки: а) - при изменении напряжения источника питания; б) - при изменении сопротивления нагрузки

Изменение сопротивления нагрузки R_н при неизменном напряжении источника питания Е не приведет к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.

К туннельным диодам относятся диоды, у которых за счет туннельного эффекта прямая ветвь ВАХ имеет область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вторым элементом их обозначения является буква «И», например, ГИ305А. Условное графическое изображение туннельного диода показано на рис

Туннельный переход электронов через p-n-переход возможен, если толщина p-n-перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в p-n-переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (10¹⁹… 10²¹ см^-3). При этих условиях ширина p-n-перехода имеет порядок 10^-6 см, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в p-n-переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер. В полупроводниках с такой концентрацией примесей атомы примеси взаимодействуют между собой и их уровни расщепляются в зоны, примыкающие в полупроводнике p-типа к валентной зоне, а в полупроводнике n-типа - к зоне проводимости. Такие полупроводники называют вырожденными. В них уровни Ферми расположены в зоне проводимости n-области и в валентной зоне p-области.

Вид ВАХ туннельного диода (рис. 2.6) может быть пояснен с помощью энергетических диаграмм, при построении которых предполагается, что в зоне проводимости n-области все уровни от W_дn до W_фn заняты электронами, а уровни, расположенные выше, свободны. В валентной зоне p-области все уровни от W_вp до W_фp свободны, а уровни ниже W_фp заняты электронами.

При отсутствии внешнего напряжения (U_пр = 0, рис. 2.6,б), уровень Ферми в обеих областях одинаков (W_фn = W_фp) и против занятых электронами энергетических уровней p-области располагаются занятые электронами энергетические уровни n-области. Туннельный переход электронов в этом случае невозможен, и ток равен нулю.

При подаче прямого напряжения U_пр1 уровни Ферми смещаются на величину

W = qU_пр1,

где q - заряд электрона, равный 1,6·10^-19Кл. Это приводит к тому, что против части энергетических уровней, занятых электронами в n-области, окажутся свободные энергетические уровни p-области (рис. 2.6,в). В результате этого происходит туннельный переход электронов из n-области в p-область и проходит прямой туннельный ток, пропорциональный площади перекрытия свободных разрешенных энергетических уровней валентной зоны p-области и заполненных энергетических уровней зоны проводимости n-области.

Рис. 2.6 Вольт - амперная характеристика туннельного диода и энергетические диаграммы (W_дn, W_дp - энергетические уровни дна зоны проводимости, W_вn, W_вp - энергетические уровни потолка валентной зоны, в n- и p-областях соответственно; зп - зона проводимости, зз - запрещенная зона, вз - валентная зона)

Туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока выше упомянутое перекрытие не станет максимальным (рис. 2.6,г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения площадь перекрытия соответствующих энергетических уровней и туннельный ток уменьшаются (рис. 2.6,д), и при некотором прямом напряжении занятые электронами энергетические уровни зоны проводимости n-области окажутся целиком расположенными напротив энергетических уровней запрещенной зоны p-области. Туннельный переход электронов в этом случае станет невозможным и туннельный ток прекратится.

Наряду с туннельным переходом электронов при прямых напряжениях в диоде имеет место инжекция электронов из n-области в p-область и инжекция дырок из p-области в n-область, что вызывает прохождение через туннельный диод диффузионного тока, как и в обычных полупроводниковых диодах. Поэтому ток туннельного диода при U_пр=U_в имеет туннельную и диффузионную составляющую (рис. 2.6,е). Дальнейшее увеличение U_пр приводит к росту только диффузионного тока (рис. 2.6,ж).

Если туннельный диод включается в обратном направлении, то уровни Ферми смещаются так, как показано на рис. 2.6,а, и появляется возможность туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Это приводит к появлению большого обратного туннельного тока.

К основным параметрам туннельных диодов относятся: напряжение и ток пика U_п и I_п; напряжение и ток впадины U_в и I_в; отношение токов I_п / I_в; напряжение раствора U_р > U_в, при котором ток равен пиковому току; емкость диода «С»; отрицательная проводимость

у_пер = dI / dU,

определяемая на середине падающего участка вольт - амперной характеристики; сопротивление потерь R_п. Параметры зависят от выбора полупроводника (ширины запрещенной зоны) и степени его легирования. Увеличение концентрации доноров приводит к росту I_п и I_в. Повышение концентрации акцепторов увеличивает I_п, U_п, I_в и U_в. Напряжения U_п и U_р возрастают при увеличении ширины запрещенной зоны.

По своему назначению туннельные диоды делятся на три группы: усилительные, генераторные и переключательные.

2. Схемы исследования

Схемы исследования прямых ветвей ВАХ стабилитрона и стабистора представлены на рис. 2.7 и 2.8 соответственно. На рис. 2.9 представлена схема исследования обратной ветви ВАХ стабилитрона, а на рис. 2.10 - схема исследования прямой ветви ВАХ туннельного диода. Каждая из этих схем собирается поочередно в левом верхнем квадранте монтажного шасси с использованием комплекта соединительных проводов.

Напряжение питания подается с гнезд источника стабилизированного напряжения Е-1, снабженного собственной цифровой индикацией и плавной регулировкой R9 выходного напряжения. Измерения постоянных напряжений и токов в схеме осуществляются с помощью цифровых тестеров серии MY6x. При этом тестер, используемый для измерения тока, всегда включается последовательно с исследуемым объектом; а тестер, используемый для измерения напряжения, всегда включается параллельно с исследуемым объектом.

Для измерения постоянного напряжения красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (V/?/Hz), а переключатель «род работы и пределы» (РРП) должен быть установлен в сектор “V=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.

Для измерения постоянного тока красный щуп выбранного тестера (ММ-х) необходимо подключить к гнезду (A), если измеряемый ток больше 200mA, либо к гнезду (mA), если измеряемый ток меньше 200mA. Переключатель РРП должен быть установлен в сектор “A=“ на соответствующий предел измерения, указанный в схеме исследования.

Исследования прямых ветвей ВАХ стабистора и туннельного диода, а также обратной ветви ВАХ стабилитрона, осуществляются косвенным методом. В случае стабистора и стабилитрона это объясняется тем, что на рабочих участках их характеристик наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего через него тока.



Рис. 2.7 Схема исследования прямой ветви ВАХ стабилитрона

Рис. 2.8 Схема исследования прямой ветви ВАХ стабистора

Рис. 2.9 Схема исследования обратной ветви ВАХ стабилитрона

Рис. 2.10 Схема исследования прямой ветви ВАХ туннельного диода

Для исключения данного обстоятельства последовательно с исследуемым диодом включается ограничительный резистор R. При этом ток, протекающий через диод, определяется из соотношения I = U/R, где U - падение напряжения на резисторе R.

ВАХ туннельного диода имеет на прямой ветви падающий участок. Сложность измерения такой характеристики связана с определенными экспериментальными трудностями, вызванными необходимостью обеспечения устойчивости схемы, содержащей элемент с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Схема работает устойчиво при условии, что R_ист << |R_i |_min, внутреннее сопротивление источника питания, |R_i|_min - минимальное значение модуля отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода. Это условие выполняется, если параллельно туннельному диоду подключается резистор R_ш (R_ш = 20…100 Ом).

Тогда ток, протекающий через туннельный диод, определяется из соотношения

I_д = I - (U/R_ш),

где I - сумма токов, протекающих через резистор R_ш и туннельный диод, U - падение напряжения на туннельном диоде.

3. Порядок выполнения работы

3.1. На тестере ММ-1 переключатель РРП установить в положение (⁰С). Включить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off). Определить температуру окружающей среды Т_окр.ср., считав показания тестера, и полученный результат занести во все ниже следующие таблицы. Выключить тестер ММ-1 нажатием красной кнопки (on/off).

3.2. Собрать схему, изображенную на рис. 2.7, используя тестеры ММ-2 и ММ-3, а в качестве исследуемого объекта кремниевый стабилитрон 2С147А. Установить R9 источника питания Е-1 в крайнее левое положение. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-3 установить в секторе “A=” на предел измерения 10А, при этом, красный щуп тестера ММ-3 установить в красное гнездо «А». Убедиться, что расположенные на монтажном шасси переключатель П1 находится в положение «Выкл.», а переключатель П2 - в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить: тестеры ММ-2 и ММ-3 нажатием красных кнопок (on/off) и источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать прямую ветвь ВАХ кремниевого стабилитрона 2С147А при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость

I_пр = ѓ(U_пр),

где I_пр - прямой ток, протекающий во внешней цепи стабилитрона, а U_пр - прямое напряжение, приложенное к стабилитрону.

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-3 значения I_пр от 0 до 0,04A с шагом 0,01A, а от 0,04 до 0,28A с шагом 0,04A. При каждом значении I_пр с помощью тестера ММ-2 фиксировать значения U_пр и полученные результаты занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Токр. ср (0С)	Тип диода	Iпр, A
	2С147А	Uпр, В

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-2 и ММ-3. Отключить от монтажного шасси тестер ММ-3.

3.3. Собрать схему, изображенную на рис. 2.8, используя тестеры ММ-1 и ММ-2, а в качестве исследуемого объекта кремниевый стабистор 2С107А. Для включения ограничительного резистора R = 510Ом последовательно со стабистором необходимо переключатель П1, расположенный на монтажном шасси, установить в положение «Вкл.». Убедиться, что расположенный на монтажном шасси переключатель П2 находится в положение «Пр. ветвь ВАХ ГД, КД, КС». Установить переключатели РРП тестеров ММ-1 и ММ-2 в секторе “V=” на предел измерения 20В. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить: тестеры ММ-1 и ММ-2 нажатием красных кнопок (on/off) и источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать прямую ветвь ВАХ кремниевого стабистора 2С107А при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость

I_пр = ѓ(U_пр).

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-2 значения U₁ от 0 до 7В с шагом 1В. При каждом значении U₁ с помощью тестера ММ-1 фиксировать значения U₂ и полученные результаты занести в таблицу 2.2. Отметить U₂ при U₁ = 0,6В. Таблицу 2.2 дополнить рассчитанными значениями I_пр и U_пр.

Таблица 2.2

Токр. ср (0С)	Тип диода	U1, В
	2С107А	U2, В
		Iпр = U2/R, mA
		Uпр = (U1 - U2), В

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-1 и ММ-2.

3.4. Собрать схему, изображенную на рис. 2.9, используя тестеры ММ-1 и ММ-2, а в качестве исследуемого объекта кремниевый стабилитрон 2С147А. Для этого достаточно:

· вместо стабистора 2С107А установить стабилитрон 2С147А;

· убедиться, что переключатель П1 установлен в положение «Вкл.», т.е. последовательно со стабилитроном включен ограничительный резистор R = 510Ом;

· для коммутации полярности подключенного источника питания Е-1 на противоположную установить переключатель П2, расположенный на монтажном шасси, в положение «Обр. ветвь ВАХ ГД, КС»;

· все остальное оставить без изменения.

Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить: тестеры ММ-1 и ММ-2 нажатием красных кнопок (on/off) и источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”.

Исследовать обратную ветвь ВАХ кремниевого стабилитрона 2С147А при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость

I_обр = ѓ(U_обр).

Таблица 2.3

Токр. ср (0С)	Тип диода	U2, В	0	-0,1	-0,5	-1	-1,5	………	-5
	2С147А	U1, В	0
		Iобр = U2/R, mA	0
		Uобр = (U1 - U2), В	0

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло тестера ММ-1 значения U₂ от 0 до -5В с шагом -0,5В. При каждом значении U₂ с помощью тестера ММ-2 фиксировать значения U₁ и полученные результаты занести в таблицу 2.3. Отметить U₁ при U₂ = 0,1В. Таблицу дополнить рассчитанными значениями I_обр и U_обр.

Закончив измерения, установить R9 в крайнее левое положение, выключить источник питания Е-1 и тестеры ММ-1 и ММ-2.

3.4. Собрать схему, изображенную на рис. 2.10, используя тестеры ММ-1 и ММ-2, а в качестве исследуемого объекта туннельный диод ГИ305А, параллельно которому подключен резистор R_ш = 47 Ом. Установить переключатели П1 и П2, расположенные на монтажном шасси, в положение «Выкл.» и «Пр. ветвь ВАХ ТД» соответственно. Переключатель РРП тестера ММ-1 установить в секторе “V=” на предел измерения 2В. Переключатель РРП тестера ММ-2 установить в секторе «А=» на предел измерения 20mA, при этом красный щуп тестера ММ-2 установить в красное гнездо «mA». Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

После проверки схемы преподавателем включить тестеры ММ-1 и ММ-2 нажатием красных кнопок (on/off) и включить источник питания Е-1 нажатием кнопки “POWER”. Исследовать прямую ветвь ВАХ туннельного диода ГИ305А при комнатной температуре, т.е. исследовать зависимость

I_пр = ѓ(U_пр).

Вращая R9 источника питания Е-1 по часовой стрелке устанавливать на цифровом табло источника питания Е-1 значения U_ист от 0 до 12В с шагом 1В. При каждом значении U_ист с помощью тестера ММ-1 фиксировать значения прямого напряжения U_пр, подаваемого на туннельный диод, а с помощью тестера ММ-2 - значения тока