Основные теоретические положения. Экспериментальное определение характеристик и параметров выпрямительного диода и стабилитрона

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы

Экспериментальное определение характеристик и параметров выпрямительного диода и стабилитрона.

Домашнее задание

2.1 Изучить по учебной литературе физические процессы в полупроводниковых диодах [1-6].

2.2 Ознакомьтесь с терминологией и буквенными обозначениями параметров диодов по ГОСТ 25529–82 по справочной литературе.

2.3 Изучить описание лабораторной работы, продумать порядок проведения эксперимента.

2.4 Выполнить предварительные расчеты.

2.5 Ответить на контрольные вопросы.

3. Расчетная часть
- На основании соотношения (1.1) построить идеализированную прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Прямое напряжение устанавливать в пределах 0,5 – 0,7 вольта. Напряжение увеличивать до такой величины, пока прямой ток не достигнет значения 0,2 – 0,5 Ампера.

- Вычислить величину смещения характеристики под действием температуры, если температура изменяется в пределах 40⁰С.

Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов
(p-n-переходов или переходов металл-полупроводник). Переходы металл-полупроводник называют переходами Шоттки, а полупроводниковые диоды на их основе – диодами Шоттки. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником.

Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

, (1.1)

где I₀ – обратный ток насыщения;

φ_T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φТ

,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е– заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения,
и при комнатной температуре φ_T ≈ 26 мВ.

Уравнение Шокли получено для упрощенной модели реального p-n-перехода при следующих допущениях:

· в обеднённом слое нет генерации и рекомбинации носителей;

· вне обеднённого слоя электрическое поле отсутствует;

· уровень инжекции низкий и ряде других допущений.

График вольт-амперной характеристики, построенный согласно уравнению

Шокли, приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямуюветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратнуюветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает:

при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного
p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I₀, а затем остается неизменным. При сделанных допущениях ток I₀, который называют также тепловым током, обусловлен
термогенерацией неосновных носителей.

Уравнение вольт-амперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

. (1.2)

Продифференцировав это соотношение, найдем дифференциальное сопротивление p-n-перехода

. (1.3)

При прямом смещении дифференциальное сопротивление r_{диф. пр} уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r_{диф. пр} = 26 Ом, т. е. при прямом смещении дифференциальное сопротивление
p-n-перехода малó.

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода
r _{диф. обр} резко увеличивается и при I→−I₀, r _{диф. обр} → ¥.

При выводе аналитического выражения для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода объемное сопротивление базы r_б полагалось равным нулю. В реальных p-n-переходах необходимо учитывать сопротивление базы r_б, с учетом которого прямое напряжение на реальном
p-n-переходе будет больше напряжения на идеализированном p-n-переходе на величину падения напряжения на объемном сопротивлении базы r_б. При больших токах из-за сопротивления r_б вольт-амперная характеристика p-n-перехода

становится почти линейной (рис. 2).

UПР

При высоком уровне инжекции в реальных p-n-переходах наблюдается эффект модуляции сопротивления базы, который заключается в уменьшении сопротивления базы из-за увеличения концентрации неосновных носителей в базе. С учетом эффекта модуляции сопротивления базы r_б вольт-амперная характеристика p-n-перехода будет проходить левее характеристики, соответствующей
r_б = const (рис. 2).

Рассмотрим влияние температуры на вольт-амперную характеристику
p-n-перехода, включенного в прямом направлении. С увеличением температуры падение напряжения на p-n-переходе уменьшается. Вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах, проходят практически параллельно друг другу (рис. 3). Температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямосмещённого p-n-перехода

. (1.4)

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики реального
p-n-перехода. Обратный ток в реальных p-n-переходах имеет три составляющие:

· тепловой ток I₀;

· ток термогенерации;

· ток утечки.

Тепловой ток I₀ обусловлен термогенерацией пар носителей в нейтральных p- и n-областях, прилегающих к обедненному слою. Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Ток термогенерации обусловлен генерацией пар носителей под воздействием тепловой энергии непосредственно в самом обедненном слое.

Ток утечки обусловлен проводящими пленками и каналами, которые могут

образовываться между p- и n-областями на поверхности кристалла.