Исследование полупроводниковых диодов

1. Цель работы: изучение принципа действия и свойств выпрямительного диода и стабилитрона, исследование параметрического стабилизатора напряжения.

2. Вопросы для самоподготовки

2.1 Классификация твердых тел по электропроводности.

2.2 Генерация и рекомбинация носителей в полупроводнике.

2.3 Основные и неосновные носители зарядов в полупроводнике.

2.4 Понятие p-n перехода.

2.5 Вольт-амперная характеристика диода и стабилитрона.

3. Описание лабораторной установки

3.1 Для снятия прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) выпрямительного диода VD 1 и прямой ветви стабилитрона VD 2 используется схема, показанная на рис.2.1. При этом применяется регулируемый источник постоянного напряжения Е=0…2В. Значение тока через диод измеряется миллиамперметром РА1, а напряжение на диоде – вольтметром PV 1.

3.2 Для снятия обратной ветви ВАХ выпрямительного диода VD1 используется схема (рис.2.2). При этом применяется регулируемый источник постоянного напряжения Е=0…30В. Ток диода VD1 измеряется микроамперметром РА2, а напряжение – вольтметром PV2.

3.3 Для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона VD2 используется схема на рис. 2.3. При этом применяется регулируемый источник питания Е=0…15В, вольтметр PV3 и миллиамперметр РА1.

3.4 Для исследования параметрического стабилизатора напряжения используется схема приведенная на рис.2.4.

3.5 В работе используются полупроводниковые элементы, параметры которых приведены в таблицах 2.2 и 2.3.

4.Задание на проведение работ

4.1. Записать паспортные данные диодов (табл.2.1…2.3).

Таблица 2.1 – Исходные данные для исследования

№ бригады
Тип диода	Д226Б	Д9В	Д220	Д2Е	КД503А	Д2Ж
Тип стабилитрона	КС147	КС156	Д814А	Д814Б	Д814Д	КС139
Стабилизатор Uн , В Uвх , В Rн , Ом	4,7 8÷15	5,6 10÷18	7,5 12÷20	8,5 15÷23	11,5 18÷30	3,9 8÷15

Таблица 2.2 – Паспортные данные диодов

№ п/п	Тип диода	Uобр.макс в	Iвп.ср.макс мА	Uпр.ср в	Iобр.ср мкА
	Д226Б
	Д2Ж
	Д2Е
	Д9В
	Д9Ж
	Д220			1,5
	КД503А

U_{обр.макс} – максимально-допустимое обратное напряжение.

I_{вп.ср.макс} – максимально-допустимый выпрямленный ток.

U_пр.ср – среднее прямое напряжение на диоде.

I_обр.ср – средний обратный ток.

Таблица 2.3 – Паспортные данные стабилитронов

№ п/п	Тип стабилитрона	Uст, В	Rд, Ом	Iст.макс, мА	Iст.мин, мА
	КС139А	3,9±0,4
	КС147А	4,7±0,5
	КС156А	5,6±0,6
	КС162А	6,2±0,4
	Д814А	7…8,5
	Д814Б	8…9,5
	Д814Д	11,5…14

4.2 Исследование полупроводникового диода

4.2.1 Собрать схему (рис.2.1) и снять прямую ветвь ВАХ выпрямительного диода VD1 I_пр=f₁ (U_пр).

При измерениях необходимо помнить, что нельзя превышать максимальный прямой ток и максимальное допустимое обратное напряжение диода. Для каждого опыта, плавно изменяя напряжение, снять 5-6 точек.

4.2.2 Собрать схему (рис.2.2) и снять обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода VD1 I_обр.=f₂ (U_обр).

По результатам опытов построить вольтамперную характеристику (ВАХ) диода. Прямая и обратная ветви ВАХ диода строятся на одном графике.

4.3 Исследование стабилитрона.

4.3.1 Собрать схему (рис.2.1), подключив к точкам 1-2 стабилитрон VD2 и снять прямую ветвь его ВАХ , I_пр.с.=f₃(U_пр.с).

4.3.2 Собрать схему (рис.2.3) и снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона I_обр.=f₄(U_обр.).

4.3.3 По результатам опытов построить ВАХ стабилитрона. Отметить на ней участок стабилизации напряжения и определить значение дифференциального сопротивления.

4.4 Исследование параметрического стабилизатора напряжения.

4.3.1 Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения. Исходные данные для расчета взять из таблицы 2.1. Методика расчета стабилизатора приведена в разделе 5.4.3.2 Собрать схему параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.4). Измерить напряжение на нагрузке U_н при минимальном Е_мин и максимальном Е_мах входном напряжении стабилизатора. Значения Е_мин и Е_мах берутся из таблицы 2.1. Сравнить рассчитанное и полученное по опытным данным значения коэффициента стабилизации К_ст.

5. Краткие сведения из теории

Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению (ρ=10^–4…10¹⁰ Ом·см) занимают промежуточное положение между проводниками электрического тока (р=10^–6…10^–4) и диэлектриками (р=10¹⁰…10¹⁵). При изготовлении полупроводниковых приборов наиболее широко используется германий Ge и кремний Si - элементы четвертой группы таблицы Д.И. Менделеева, имеющие на внешней орбите по четыре валентных электрона. Атомы кремния располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны с другими атомами посредством 4 валентных электронов.

На рис. 2.5 показана плоская модель кристаллической решетки кремния. Химическую связь двух соседних атомов, образованную парой электронов на одной орбите называют, ковалентной.

Энергетические уровни валентных электронов кристалла образуют на энергетической диаграмме валентную зону (рис. 2.6). При температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря, заполняют все энергетические уровни в валентной зоне. При температуре выше абсолютного нуля за счет колебаний атомов часть электронов, приобретая

энергию, разрывает ковалентные связи и переходит в межузловое пространство кристалла, что соответствует переходу на энергетической диаграмме из валентной зоны в зону проводимости.

Энергетическая зона между валентной и зоной проводимости называется запрещенной. Ее ширина составляет 0,72 эВ – для германия и 1,12 эВ - для кремния.

Для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости необходима дополнительная энергия, равная или превышающая ширину запрещенной зоны.

Вакантный энергетический уровень, возникающий в валентной зоне при разрыве ковалентной связи, называют электронной дыркой (дыркой проводимости). Дырка в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом, равным заряду электрона. Процесс образования пар электрон – дырка при разрыве ковалентной связи называется генерацией (см. рис. 2.6).

Под действием тепловой энергии электроны в зоне проводимости, так же как и дырки в валентной зоне, совершают хаотические движения. При этом возможен процесс захвата электронов из зоны проводимости дырками в валентной зоне. Такой процесс, сопровождаемый одновременным исчезновением пары электрон – дырка, называется рекомбинацией. При постоянной температуре число пар электрон – дырка в единице объема полупроводника остается постоянным.

Если к данной структуре подвести внешнее электрическое поле, то можно заметить два характера движения электрона: первое – электрон движется прямо в межузловом пространстве; второе – при наличии дырки какой-либо из электронов соседней связи может занять ее место, и ковалентная связь в этом месте восстанавливается, однако связь нарушается в том месте, откуда ушел электрон, эту новую дырку может занять еще какой-либо электрон и т.д. Чтобы различать эти два характера движения электрона в первом случае проводимость называют электронной, во-втором – дырочной.

Электропроводность полупроводника, обусловленная движение электронов и дырок, возникающих в результате генерации, называют собственной, а полупроводник с таким типом проводимости – собственным полупроводником. Чистые полупроводники являются собственными.

Если в кристалле кремния присутствуют примеси атомов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называют примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с собственными.

Заменим в кристаллической решетке часть атомов кремния атомами пятивалентного фосфора Р. Четыре его валентных электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния (рис. 2.7), а пятый электрон оказывается избыточным и легко отрывается, переходя в зону проводимости.

При этом атом примеси ионизируется и приобретает положительный заряд. Таким образом, пятивалентная примесь фосфора увеличивает электронную проводимость полупроводника.

Примесь, способную отдавать электроны, называют донорной, а сам полупроводник – полупроводником n-типа. Концентрация электронов в полупроводнике n-типа (n_n) значительно выше концентрации дырок (p_n). Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными – дырки.

При замещении атомов кремния атомами трехвалентного бора В три валентных электрона бора образуют с тремя соседними атомами кремния ковалентные связи, четвертая связь образуется за счет захвата бором чужого электрона (рис 2.8). При этом бор приобретает отрицательный заряд и становится ионом, а на месте захваченного электрона образуется дырка.

Таким образом, примесь бора повышает

дырочную проводимость кристалла полупроводника.

Такой полупроводник называется полупроводником р-типа, а его примесь - акцепторной. В полупроводнике р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны, т.е выполняется условие p_p>> n_p.

Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая – р-типа, называется электронно-дырочным переходом (р-n переходом). Р-n переход является основой большинства полупроводниковых приборов (рис. 2.9).

Обычно концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда) в одной из областей делают более высокой. В нашем случае n_n >> p_p (см. рис. 2.9, а). Область полупроводника с более высокой концентрацией называют эмиттером, а другую (с меньшей концентрацией) – базой.

Рассмотрим процессы в электронно-дырочном переходе при отсутствии внешнего напряжения.

Вследствие большей концентрации электронов в области n-типа по сравнению с областью р-типа будет происходить диффузия электронов из первой области во вторую. Аналогично происходит диффузия дырок из области р-типа в область n-типа.

Создается диффузионный ток через переход I_диф= I_диф.n+I_диф.р≈ I_диф.n . Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют. В результате вблизи границы между областями возникает слой полупроводника, обедненный подвижными носителями заряда и обладающий высоким сопротивлением (запирающий слой). В запирающем слое нарушается баланс положительных и отрицательных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказываются нескомпенсированными объемные заряды неподвижных ионов примесей: в n- слое - положительных, p– слое – отрицательных. В результате в переходе (рис.2.9, б) создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Е_зап , что приводит к появлению потенциального барьера φ_к , который препятствует бесконечной диффузии основных носителей через переход.

Внутреннее электрическое поле вызывает направленное движение носителей через переход – дрейфовый ток I_др=I_др.p+I_др.n. противоположно диффузионному току. При отсутствии внешнего источника напряжения диффузионный и дрейфовый токи равны:

I_диф= -I_др..

Такое состояние перехода называется равновесным. Толщина запирающего слоя в p- и n- областях зависит от концентрации ионов примесей и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому, в нашем случае геометрически переход смещен в p-область.

Если подключить к р-n переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника р- типа, а минус к области полупроводника n-типа (такое включение называют прямым, рис. 2.10), то обедненный слой р-n перехода сужается, а его проводимость увеличивается. Это объясняется тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объема полупроводника. Так как напряжение внешнего источника U_пр прикладывается встречно контактной разности потенциалов φ_к , то потенциальный барьер снижается на величину U_пр , и создаются условия для дополнительной диффузии основных носителей через переход. В результате нарушается баланс диффузионного и дрейфового токов. Появляется прямой ток перехода:

I_пр=I_диф-I_др>0 , (2.1)

который носит чисто диффузионный характер и обусловлен движением основных носителей. При повышении прямого напряжения прямой ток увеличивается.

Если изменить полярность подключения внешнего источника напряжения на обратную (такое подключение источника называется обратным (рис.2.11)), то обедненный слой перехода расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки оттягиваются от р-n перехода в разные стороны.

Внутреннее поле в переходе Е_рез=Е_вн+Е_зап увеличивается, и высота потенциального барьера также увеличивается: U=j_к+U_обр.

Диффузия основных носителей через переход становится невозможной, диффузионный ток через переход практически исчезает: I_диф=0. В свою очередь, дрейфовый ток почти не изменяется, так как он определяется неосновными носителями.

Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, определяющих прямой ток р-n перехода, обратный ток Iобр р-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков) и составляет для маломощных диодов микроамперы. Это и определяет вентильные свойства р-n перехода - способность проводить ток только в одном направлении.

Графически процессы, происхо-

дящие в р-n переходе, можно изобразить в виде ВАХ (рис. 2.12), которая описывается выражением:

I=I₀ [exp(U_д/φ_т)-1], (2.2)

где U_д – напряжение на p-n переходе; φ_т=kT/q – температурный потенциал, равный контактной разности потенциалов φ_к на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т=300 К, φ_т=0,025 В); k- постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; q- заряд электрона.

Выражение (2.2) применимо только для прямого смещения перехода, т.к. при обратном смещении оно плохо описывает ВАХ.

Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ обычно изображают в различном масштабе, поскольку обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

С ростом температуры окружающей среды обратный ток возрастает, так как возрастает концентрация неосновных носителей. В практических расчетах можно считать, что этот ток увеличивается в 2 раза при повышении температуры на каждые 10° С для германиевых и на каждые 8º С для кремниевых диодов:

(2.3)

Если величина обратного напряжения превышает некоторое значение U_{обр.мах.}, называемого пробивным, то произойдет электрический пробой р-n перехода, сопровождаемый далее тепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при U_{обр.мах.} электрическое поле в р-n переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника с лавинообразным размножением дополнительных носителей в переходе, что приводит к резкому увеличению обратного тока через переход при почти неизменном напряжении (кривая 2 на рис. 2.12). Этот вид электрического пробоя носит название лавинного пробоя. Лавинный пробой является обратимым: свойства перехода полностью восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

Если температура р-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда (см.формулу 2.3). Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему нагреву р-n перехода и увеличению обратного тока. Процесс развивается лавинообразно и приводит к разрушению перехода в результате перегрева. Такой процесс называют тепловым пробоем (участок 3 на рис. 2.12). Тепловой пробой необратим, поэтому этот режим не допускается при эксплуатации полупроводниковых приборов.

Полупроводниковым диодом называются электропреобразовательный прибор с одним р-n переходом, имеющим два вывода и предназначенный для выпрямления переменного тока, детектирования, построения ключевых и защитных схем и т.д.

В зависимости от конструктивных особенностей диоды делятся на точечные и плоскостные.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводимостью р-типа. С пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (игла), образующая р-n переход в месте контакта.

В плоскостных диодах р-n переход образуется двумя полупроводниками n- и р-типа, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

По назначению диоды делятся на выпрямительные, предназначенные для выпрямления переменного тока низкой частоты (50…10⁵ )Гц ; высокочастотные, которые могут работать в выпрямителях, детекторах, модуляторах в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц); импульсные, являющиеся разновидностью высокочастотных диодов и предназначенные для использования в быстродействующих импульсных схемах.

Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении.

Стабилитрон - это кремниевый плоскостной диод, напряжение на котором в области обратимого пробоя слабо зависит от тока. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения. Как отмечалось выше, если обратное напряжение превышает значение U_{обр.макс},_. происходит лавинный пробой р-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает почти при неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, рис.2.13) используют в стабилитроне, нормальным включением которого в цепь источника постоянного напряжения является обратное. Если обратный ток через стабилитрон не превышает I_{ст.макс.}, то тепловой пробой не возникает.

Поскольку кремний, материал для стабилитронов, обладает малыми обратными токами, то нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р-n перхода. Кроме того, конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от р-n перехода.

Основными параметрами полупроводникового стабилитрона являются (см.рис. 2.13): напряжение стабилизации при номинальном токе стабилизации, дифференциальное сопротивление на участке стабилизации R_д=ΔU_ст/ΔI_ст, характеризующее степень изменения напряжения стабилизации при изменении тока через стабилитрон (R_д=0.5…200 Ом), минимальный I_ст.мин и максимальный I_ст.мах токи стабилизации.

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом результирующее стабилизирующее напряжение равно сумме напряжений стабилитронов.

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из-за неидентичности характеристик из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет возникать только в одном, имеющем наименьшее стабилизирующее напряжение U_ст.

Схема на рис. 2.14 поясняет принцип работы простейшего параметрического стабилизатора постоянного напряжения.

Увеличение входного напряжения U_вх приводит к увеличению

тока через стабилитрон и сопротив-

ление R_б. Избыток входного напряжения выделяется на балластном сопротивлении R_б, а напряжение на нагрузке R_н , равное U_ст, остается неизменным.