Основные теоретические положения. Приборы и оборудование

Приборы и оборудование

Снятие вольтамперных характеристик и определение основных параметров полупроводниковых диодов.

Лабораторная работа №2

Цель: ознакомиться с конструкцией полупроводниковых диодов, снять и проанализировать вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов; определить параметры этих диодов.

1. Источники постоянного тока с регулируемым выходным напряжени­ем 0-12 В; 0-250 В.

2. Два вольтметра магнитоэлектрической системы с пределами измере­ния 0-15 В и 0-250 В.

3. Миллиамперметр магнитоэлектрической системы с пределом изме­рения 0-100 мА.

4. Микроамперметр магнитоэлектрической системы с пределом изме­рения 0-1 мкА.

5. Набор полупроводниковых диодов.

6. Комплект соединительных проводов.

Полупроводники имеют кристаллическое строение с ковалентной свя­зью между атомами (германий, кремний). Для освобождения электрона из атома нужно затратить определенную энергию. При уходе электрона из ато­ма появляется вакантное место, а, следовательно, возникает положительный заряд. При переходе электрона от соседнего атома к рассматриваемому, это вакантное место появится у соседа и т.д. Это значит, что положительный за­ряд, так называемая дырка, в кристалле может перемещаться. Под действием электрического поля дырки принимают направленное движение, то есть уча­ствуют наряду со свободными электронами в образовании электрического тока. Число свободных электронов будет равно числу дырок.

Таким образом, электрический ток в кристалле полупроводника обу­словлен движением двух носителей зарядов: электронов и дырок. Рассмот­ренный механизм движения зарядов присущ чистым кристаллам. Такая про­водимость называется собственной.

При введении в кристалл примесей можно добиться преобладания ка­кого-либо типа носителей заряда. Если атомы примеси легче отдают элек­троны, чем атом основного вещества, то кристалл будет обладать примесной электроннойпроводимостью (полупроводник n-типа). Такие примеси назы­ваются донорными, и к ним относятся элементы 5-ой группы (фосфор, мышьяк, сурьма).

Если атомы примеси склонны и к захвату электрона, то у атомов кри­сталла освобождаются дырки (полупроводник р-типа). Такие примеси называются акцепторными. К ним относятся элементы 3-й группы (галлий, индий, алюминий).

В основе полупроводниковых приборов лежит электронно-дырочный переход, называемый р-n-переходом.

Р-n-переход - это область на границе двух полупроводниковых слоев с электронной и дырочной электропроводи­мостью в едином монокристалле. На границе создается резкий градиент кон­центраций одноименных носителей заряда, поскольку

P_p >> P_n и n_n >> n_p

Вследствие разности концентраций одноименных носителей заряда в слоях происходит диффузия дырок из слоя р в слой п и наоборот - электро­нов из слоя п в слой р с последующей рекомбинацией с подвижными носите­лями противоположного знака. В результате, вблизи границы полупроводни­ков образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому об­ладающий высоким сопротивлением - запирающий слой (рис. 1). Толщина его не превышает нескольких микрометров. При уходе дырок из р-слоя в нем создается не скомпенсированный отрицательный объемный заряд, обусловленный преимущественно неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

Электроны, ушедшие из n-слоя, оставляют не скомпенсированный объ­емный положительный заряд, создаваемый неподвижными положительными зарядами донорных атомов. Для того чтобы переход был в целом электриче­ски нейтральным, суммарный заряд должен быть равен нулю, то есть отрица­тельный заряд в р-области и положительный заряд в n-области должны быть одинаковыми. Поскольку концентрация акцепторов значительно выше, чем доноров, то протяженность положительного заряда в n-слое будет шире, чем отрицательного в р-слое l_on > l_op. Несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое. Наличие объемного заряда в р-n-переходе создает в запи­рающем слое электрическое поле с напряженностью Е_зaп и потенциальный барьер φ_k (контактную разность потенциалов). Внутреннее электрическое поле создает тормозящее действие для основных и ускоряющее для неоснов­ных носителей заряда, то есть приводит к уменьшению диффузионного тока (обусловленного основными носителями заряда) I_диф через переход и к появ­лению встречного ему дрейфового тока I_др (обусловленного движением неос­новных носителей).

Подключим внешнее напряжение к р-n -переходу в прямом направле­нии, то есть плюсом выводу р-слоя, а минусом в выводу n-слоя. При этом внешнее электрическое поле напряженностью Е_вн направлено навстречу Е_зап, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-n-переходе. Толщина запирающего слоя и потенциальный барьер уменьшаются, а при напряжении 0,3-0,5 В, в зависимости от исходного материала, запирающий слой совсем исчезает. Сопротивление р-n-перехода резко снижается, создаются условия для движения основных носителей заряда (инжекция), диффузионный ток возрастает. Дрейфовый ток через переход не меняется, поскольку он опреде­ляется только количеством неосновных носителей заряда. Для данного полу­проводника концентрация их при определенной температуре является посто­янной.

С повышением приложенного внешнего напряжения прямой ток уве­личивается. Такое состояние р-n-перехода, когда к нему подведено прямое напряжение, сопротивление его мало и через него протекает сравнительно большой прямой ток, называемый открытым.

При обратном подключении внешнего напряжения (плюс к выводу n-слоя, а минус к выводу р-слоя), напряженность внешнего электрического по­ля Е_вн совпадает по направлению с напряженностью Е_зап. Запирающий слой расширяется, потенциальный барьер возрастает на величину внешнего на­пряжения U_обр. Это затрудняет прохождение через р-n-переход основных но­сителей, вследствие чего диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями, можно считать неизменным. Но теперь он будет превышать диффузионный. Через р-n-переход ток будет про­текать в обратном направлении.

Состояние р-n-перехода, когда к нему подведено обратное напряжение, сопротивление его велико и через него протекает малый обратный ток, назы­вается закрытым.

При увеличении обратного напряжения и превышении им некоторого значения U_обр.max обратный ток резко возрастает (участок 4 ВАХ). Такое явле­ние называется пробоем р-n-перехода, а обратное напряжение, при котором происходит резкое возрастание обратного тока - напряжением пробоя. Напря­жение пробоя р-n-перехода лежит в пределах от единиц до сотен вольт.

Характерной особенностью полупроводниковых приборов является за­висимость их характеристик и параметров от температуры. С ростом темпе­ратуры концентрация носителей заряда увеличивается, что приводит к росту как I_пр, так и I_обр.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним р-n-переходом, обладающий свойством односторонней про­водимости тока.

По конструкции диоды подразделяют на точечные и плоско­стные. В точечных диодах р-n-переход образуется в месте контакта пластинки полупроводника n-типа с металлической иглой. В плоскостных диодах р-п-переход образуется двумя полупроводника­ми с различным типом электропроводимости.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования перемен­ного тока в постоянный. Основными параметрами выпрямительных диодов являются максимально допустимые значения прямого тока I_пр.mах и макси­мально допустимое обратное напряжение U_обр.max.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода полупроводникового дио­да представлены на рис. 2.

К основным параметрам полупроводникового диода относят: диффе­ренциальное сопротивление R_i:

R_i =

и статическое сопротивление (сопротивление постоянному току) Rо:

R₀ =

Эти параметры можно определить по вольтамперной характеристике диода (рис. 2).

R_i = = (1)

R₀ = (2)

Рис. 2

Дата добавления: 2015-05-06