Исследование вольтамперных характеристик выпрямительного диода и полупроводникового стабилитрона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кыргызский Государственный Технический Университет им. И.Раззакова

Кафедра " Радиоэлектронника и телекоммуникации "

Исследование вольтамперных характеристик выпрямительного диода и полупроводникового стабилитрона

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам "Электроника и микроэлектроника", "Электроника", "Информационно-измерительная техника и электроника " для подготовки бакалавров по направлениям Т.25 " Радиотехника" , Т.04 " Телекоммуникации " , Т.02 "Автоматическое управление" , Т.17 " Электроэнергетика"

Бишкек 2001г

Составители : И.К. Алиев , Н.Т.Шамбетова

УДК 621.396.6

Исследование вольтамперных характеристик выпрямительного диода и полупроводного стабилитрона : Метод. указания к лабораторным работам по дисциплинам : " Электроника и микроэлектроника" , " Информационно-измерительная техника и электроника " , " Промышленная электроника " , "Электроника" для подготовки бакалавров по направлению Т.25, Т.04, Т.02, Т.13, Т.17/Кырг. Гос. Техн. ун-т; Сост.: И.К.Алиев, Н.Т.Шамбетова. Бишкек 2001 -16 с.

Излагаются методические указания по исследованию вольтамперных характеристик выпрямительного диода и полупроводникового стабилитрона.

Предназначены для студентов всех форм обучения

Ил.: 6 . Библиогр.: 4 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Жумабаев М.Ж.

1. Цель работы

Целью данной работы является изучение принципа работы и исследование статистических вольтамперных характерестик выпрямительного диода и полупроводникового стабилитрона.

2. Основные теоретические сведения

Одним из основных классов полупроводниковых приборов являются двухполюсные элементы - полупроводниковые диоды . Полупроводниковым диодом обычно называют двухэлектродный прибор с однако такое определение не совсем соответствует действительности, так как известны диода без p-n-перехода (диоды Ганна, диода с гетеропереходом, n n-типа и т.д. ). Поэтому в общем случае под полупровдониковым диодом подразумевают нелинейный двухполюсник, выполненный на основе полупроводника и способный преобразовывать электрический сигнал.

В данной работе рассматриваются выпрямительный диод и стабилитрон, выполненные на основе p-n-перехода.

2.1 Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переходом (p-n-переходом ) называют область объемного заряда , возникающую на границе раздела двух полупроводников различного типа проводимости( p-типа и n-типа) и обладающую свойством односторонний электрической проводимости. Как известно из курса физики полупроводником p-типа или дырочным полупроводником называют примесный полупроводник, проводимость которого в основном обусловлена дырками. Концентрация дырок Рр в таком полупроводнике много больше концентрации электронов. Такое соотношение концентраций получают путем введения в собственный полупроводник акцепторной примеси.

В полупроводнике n-типа, образованном за счет введения донорной примеси, основными носителями зарядов являются электроны, а неосновными - дырки: n_n , p_{n -} концетрации соответственно электронов и дырок в полупроводнике n-типа . В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура ( рис. 1а) создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой - донорной примеси.

Обычно концентрация примесей в слоях несимметрична: Na » Ng

Типичное распределение концентраций носителей заряда для таких структур на рис. 1б, где P_p » n_n.

Возникающий на границе раздела слоев АВ-градиент концентрации носителей зарядов порождает диффузное движение основных носителей: дырки движутся из р-области в n-области , а электроны - в обратном направлении . Возникает диффузный ток Iдиф=Iдиф_р + Iдиф_n. Дырки, диффундировавшие в n-область, рекомбинируют с электронами, а электроны, диффундировавшие в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому в р-области остаются нескомпенсированные отрицательные заряды неподвижных акцепторных ионов доноров , а в n-области - положительный заряд положительный заряды неподвижных ионов доноров . Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое можно отобразить распределением потенциала ц вдоль p-n структуры( рис. 1в). Наибольшую ординату в этой кривой называют высотой потенциального барьера, а область у границы раздела, объединенную подвижными носителями зарядов и обладающую высоким сопротивлением, называют запирающим слоем.

Рис. 1в

Высота потенциального барьера ц₀ и ширина запирающего слоя l₀ определяется следующими соотношениями:

где ц_т = кТ/е - тепловой потенциал; n_l - концентрация электронов проводимости собственного проводника; - электрическая постоянная; - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; k - постоянная Больцмана ; T - абсолютная температура; е - заряд электрона.

При температуре T=300 K ц_т ? 26мВ , а потенциальный барьер германиевого p-n- перехода ц₀?0,36 мВ, ширина запирающего слоя I₀ ? 2,5 мкм. Cсоответственно для кремниевого перехода ц₀? 0,83В, а I₀ ? 0,3 мкм.

Электрическое поле, возникающее внутри запирающего слоя, вызывает дрейфовое движение неосновных носителей заряда, которое направлено навстречу диффузионному движению. Дрейфовый ток через переход Iдр=Iдр_р + Iдр_n.

В состоянии равновесия I_диф = -I_др, т.е. суммарный ток через переход равен нулю. Так как p-n-переход является несимметричным (Na » Ng) , запирающий слой в основном оказывается сосредоточенным в высокоомной области: I_on » I_ор.

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения ( напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через p-n-переход. При этом существенную роль играет полярность приложения напряжения.

Напряжение считается прямым (прямое смещение ), если положительный полюс источника подключен к p-области, а отрицательный - к n-области (рис.2а). Прямое напряжение уменьшает высоту потенциального барьера до ц₀ - U_a (рис. 2б). В результате этого увеличивается диффузионная составляющая тока, и суммарный ток через переход I_a= I_диф - I_др оказывается нулевым. Это прямой ток p-n-перехода. Прямое включение p-n-перехода приводит к уменьшению объемного заряда и сужению запирающего слоя.

При обратном смещении p-n-перехода (рис. 3а) потенциальный -//- до . Диффузия основных носителей практически прекращается и через переход протекает только ток неосновных носителей. Это обратный ток p-n-перехода. Он значительно меньше прямого тока , так как концентрация неосновных носителей в полупроводнике мала. Такое соотношение прямого и обратного токов позволяет говорить об односторонней проводимости p-n-перехода, то есть о его выпрямляющем свойстве. При обратном смещении возрастает объемный заряд и ширина запирающего слоя. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n-перехода , которая отражает зависимость тока через переход от приложенного напряжения, описывается выражением: I= I_т( I^U/цт - I) , где I_т - тепловой ток насыщения, создаваемый неосновными носителями.

Ток I_т сильно зависит от температуры: он удваивается при нагревании 8 ^оС у германиевых приборов или н 10 ^оС у кремниевых приборов.

При U = U_a > 0 зависимость тока от напряжения будет экспоненциальной, а при U=U_b < 0 I= -I_т уже при небольших значениях обратного напряжения.

На рис. 4а показана зависимость идеализированная вольтамперная характеристика p-n-перехода, нарисованная в первом и третьем квадрантах. ВАХ идеального p-n-перехода отлична от идеализированной ВАХ (пунктирная кривая на рис. 4а). С увеличением обратного ток возрастает и при некотором критическом значении напряжения тока резко возрастает. Это явление называют пробоем p-n-перехода.

Различают лавинный, туннельный и тепловой пробоем. Первые два вида еще называют электрическим пробоем. Электрический пробой является обратимым: при снятии напряжения p-n-переход восстанавливает свои запирающие свойства. Он используется в некоторых приборах.

Тепловой пробой является необратимым, он возникает вследствие разогрева p-n-перехода и, как правило, разрушает p-n-переход. На рис.4б показаны ВАХ при электрическом и тепловом пробоях. Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, изменяющийся под воздействием напряжения, характеризуется емкостью p-n-перехода. Она равна сумме барьерной и диффузионной емкостей и проявляет себя при повышенных частотах. Подробное описание процессов в p-n-переходе можно найти в [1, 3 , 5]

Рис.3б

2.2 Полупроводниковые диоды

Как отмечалось выше, полупроводниковый диод( ПД) - это полупроводниковый прибор с p-n-переходом, имеющий 2 вывода. Для них характерны низкая стоимость, высокая надежность и быстродействие, малые массо-габаритные показатели.

ПД можно классифицировать по назначению, конструктивно-технологическим признакам, виду исходного полупроводника. По назначению ПД делятся на выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные(ВЧ и СВЧ-диоды) , импульсные, туннельные, варикапы, полупроводниковые стабилитроны и другие; по конструктивно-технологическим - на кремниевые , германиевые, селеновые, арсенидо-галлиевы, карбидо-кермниевые и др.

Выпрямительные диоды (ВД). ВД - это диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Они работают в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц для ограничения паразитных выбросов напряжения в качестве элементов электрической развязки и т.д.

В качестве ВД широко используются кремниевые плоскостные диоды. Они имеют значительно меньше обратные тока и большие допустимые обратные напряжения. Недостатком кремниевых диодов является большее прямое падение напряжения, чем на германиевых .

В основе работы ВД лежит свойство односторонней электрической проводимости p-n-перехода. На рис. 5 показано условное графическое обозначение ВД. Электрод, выведенный из эмиттера (p-области), называется анодом , а электрод, выведенный из базы ( n-области), - катодом.

На рис. 5б и 5в показаны соответственно идеальная и реальная вольтамперная характеристики ВД. Как видно, ВД хорошо проводит ток при прямом включении и практически не проводит ток при обратном включении.

Рабочим участком ВАХ ВД является линейной участок прямой ветви ( участком 2-3, рис. 5в ). Наклон характеристики на этом участке определятся сопротивлением базовой области r_б . На практике прямую ветвь ВАХ ВД аппроксимируют ломаной линией ( участки 0-1 , 1-3, рис. 5в). Видно, что при этом I_пр = ( U_пр -F_пр)/r_б , когда U_пр > E_пр и I_пр =0, когда U_пр ? E_пр.

Здесь E_пр? (0,5 -0,7) ц_0, где ц₀ -высота потенциального барьера (0,5 ч 0,9 В); r_б = ctgd.

ВАХ ВД зависит от температуры окружающей среды. С ее увеличением возрастает прямой и обратный токи диода. Особенно сильно изменяется обратный ток, который обусловлен неосновными носителями заряда. Прямой ток в основном зависит от концентрации примеси в полупроводнике..

Основными параметрами ВД явлются:

I_{пр max} - максимально допустимый прямой ток.

U_пр - прямое напряжение на диоде , обычно прямое напряжение указывается при I_{пр max}.

U_{обр max} -максимально допустимое обратное напряжение, оно значительно меньше пробивного;

I_обр - обратный ток при заданном обратном напряжении; диапазон температур.

В зависимости от значения I_{пр max} ВД делят на диоды малой мощности (прямой ток до 0,3 А ) , средней мощности ( прямой ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (прямой ток более 10 А). Если при применении ВД v_{обр max} одного диода оказывается недостаточным, можно включить последовательно несколько диодов; если недостаточен прямой ток - несколько ВД включают параллельно. В маломощных схемах в этом случае для устранении неравномерности распределения обратных напряжений и прямых токов диоды необходимо шунтировать сопротивлениями R_ш и включать дополнительные сопротивления R_д соответственно. Их значения должны удовлетворять соотношениям: R_ш < r_обр» r_пр, где r_обр, r_пр - обратное и прямое сопротивление диода. Значение R_щ составляют десятки-сотни килоомов, R_a-сотни Ом. Подробные сведения о ВД можно найти [1, 2 , 3, 4].

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковым стабилитроном (ПС) называют полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком ВАХ ПС является область пробоя p-n-перехода при его обратном включении ( участок 1-2, рис.6а). При ограничении обратного тока стабилитрон может работать в режиме пробоя в течение десятков-сотен тысяч часо.

Основными параметрами ПС являются I_{cт min} -минимальный ток стабилитрона ( соответствует началу устойчивого электрического пробоя ); I_{ст max} -максимальный ток стабилитрона ( лимитируется из условия предотвращения теплового пробоя ) ; v_{ст ном} - напряжение стабилитрона; r_ст- дифференцирование сопротивление стабилитрона( показывает наклон участка 1-2 на рис.6а относительно оси ординат и характеризует качество стабилизации напряжения); б_ст-температурный коэффициент напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:

б_ст = * * 100% при I_ст = const.

Значения напряжения стабилизации в ПС ( от 3 до 400 В ) зависят от исходного полупроводникового материала и технологии и его обработки. При изготовлении ПС используется кремний, ибо в них меньше вероятность теплового пробоя за счет протекания обратного тока и саморазогрева p-n-перехода. У ПС с v_ст=3…5 В возникает туннельный пробой, так как используется никоомный материал. У стабилитронов с v_ст >7 В возникает лавинный электрический пробой (используется более высокомный материал ). В диапазоне v_ст=5…7 В пробой характеризуется взаимодействием туннельного и лавинного механизмов.

На рис. 6б показано условное обозначение ПС , а на рис. 6в - схема включения. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, а так же для фиксации уровней напряжения в различных схемах(отсюда происходит второе название стабилитронов опорные диоды).

Низковольтные напряжения в переделах 0,3…1 В можно стабилизировать, используя прямые ветви ВАХ специальных кремниевых диодов-стабисторов.

С целью компенсации температурной зависимости напряжения стабилизации последовательно со стабилитроном иногда включат в прямом направлении диод или стабилитрон (Ст2 на рис. 6в) или используют двуханодный стабилитрон ( двухсторонний стабилитрон условное обозначение которого показано на рис. 6г. Подробные сведения о ПС можно найти в [1, 2, 3].

Схемы включения для снятия характеристик ВД и ПС показаны на рис. 7(а прямое включение, б -обратное включение) . Исследование динамики ВД проводится по схеме рис.8.

статистический вольтамперный выпрямительный диод

3. Порядок выполнения

3.1 Подготовка к работе

1.Изучить назначение, принцип действия, конструктивное выполнение, основные параметры и характеристики, свойства и обозначения исследуемых полупроводниковых диодов, пользуясь рекомендованной литературой.

2. Начертить вольтамперные характеристики исследуемых приборов.

3.Начертить схему эсперимента.

3.2 Ход работы

1.Снять прямую I_пр = а(U_пр) и обратную I_обр = f(U_обр) ветви ВАХ п/п диода и стабилитрона.

Схема на рис.

Для чего 1 и 2 подать напряжение 10 В.

К разъемам 5 и 18 подключить цифровой вольтметр В7-20. К гнездам 3 и 4 подключить миллиамперметр 0-75 мА. При этом В7-20 работает на пределе измерений 10 В

После подключения макета, регулируя напряжение на диоде потенциометр R1, снять не менее 5 значений прямого тока и напряжения , и заполнить таблицу:

2. Снятие обратной ветви ВАХ диода аналогично п.1. Отличие в том , что вместо миллиамперметра 0-75 mA включается микроамперметр 0-100 mA.

Для снятия ВАХ остальных п/п приборов выполняются действия аналогичные п.1 и п.2.

Содержание отчета

Отчет должен содержать название , цель работы , схемы включения , результаты измерений и вычислений, а так же графики, которые должны быть выполнены четко в масштабе и с указанием экспериментальных точек.

Контрольные вопросы

1. Опишите процессы в p-n-переходе при отсутствии и наличии внешнего напряжения.

2. Чем отличается ВАХ реального диода от p-n-перехода ?

3. Назовите основные параметры исследуемых приборов

4. Как определяются основные параметры ПД по их характеристикам.

5. Приведите классификацию ПД.

Список литературы

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л .: Энергоатомиздат, 1989.-352с.

2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. -Киев: Выщ.шк., 1989.- 432с.

3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы.- М.:Высш.шк., 1987.-479 с.

4. Забордин Ю.С. Промышленная электроника. -М., Высш. Шк., 1981.-622 с.

Размещено на Allbest.ru