Краткие теоретические сведения. Лабораторная работа № 1 Исследование полупроводникового диода

Цель работы

Лабораторная работа № 1 Исследование полупроводникового диода

Введение

Радиотехнические системы играют все возрастающую роль в жизни общества. Качественные показатели радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в значительной степени определяются параметрами элементной базы, т. е. характеристиками интегральных схем, полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, контактных устройств, фильтров и т. п.

Рабочая программа дисциплины «Компонентная база РЭА» (КБРЭА) построена таким образом, что основное внимание в лекционном курсе отводится принципам работы полупроводниковых приборов. Поэтому тематика лабораторных работ посвящена исследованию полупроводниковых приборов, которые являются основой как аналоговых, так и цифровых схем.

В ходе выполнения работ студенты знакомятся с принципами работы полупроводниковых приборов и методиками определения характеристик и параметров диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов в различных режимах работы.

Лабораторные работы № 1, 2, 5, 6 являются двухчасовыми. Лабораторные работы № 3 и № 4, из-за большого объема экспериментов, являются трехчасовыми.

В основу лабораторного практикума положен фронтальный метод проведения работ. Суть фронтального метода заключается в том, что половина академической группы студентов (12…15 человек) разбивается на 6 бригад, каждая из которых выполняет одну и ту же лабораторную работу на разных макетах. Фронтальный метод позволяет синхронизировать теоретический (лекционный) материал с тематикой лабораторных работ, а также обсуждать полученные результаты с половиной академической группы одновременно. К достоинствам фронтального метода следует также отнести возможность предварительной подготовки студентов к лабораторным занятиям, так как тематика лабораторных занятий известна заранее.

Лабораторная установка состоит из базового блока с источником питания в который устанавливается лабораторный макет и блока измерительных приборов постоянного тока, который установлен на каждом рабочем месте. Макет соединяется с измерительными приборами с помощью перемычек.

Отчеты по лабораторным работам оформляются в соответствии с требованиями, изложенными в [1].

Целью работы является исследование характеристик полупроводникового диода.

В подавляющем большинстве практических использований полупроводников мы имеем дело с примесными полупроводниками, проводимость которых определяется характером примеси. Донорные примеси, способны легко отдавать свои электроны и создавать значительное преобладание числа электронов в зоне проводимости над дырками в заполненной зоне. Проводимость всего полупроводника с такими примесями является электронной (n -типа). Донорными к германию и кремнию являются пятивалентные примеси мышьяк и сурьма.

Акцепторные примеси, способны легко отбирать электрон из заполненной зоны и создавать значительное преобладание дырок в зоне проводимости. Проводимость всего полупроводника с такими примесями является дырочной (p -типа). Акцепторными для германия и кремния являются трехвалентные примеси индий и галлий.

Полупроводник, содержащий примеси, называется легированным, а процесс ввода этих примесей называется легированием.

Полупроводниковый диод представляет собой контактную систему из двух полупроводников с разными типами проводимости. В месте соприкосновения полупроводников с различными типами проводимости образуется выпрямляющий контакт, имеющий малое сопротивление в одном, направлении (прямой режим); имеющий высокое сопротивление другом (обратной режим). Этот выпрямляющий контакт называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Возникновение электронно-дырочного перехода объясняется следующим образом. В полупроводнике n -типа имеется большое количество свободных электронов, являющихся основными носителями заряда. В полупроводнике p -типа, наоборот, имеется большое количество свободных дырок, являющихся основными носителями и незначительное количество свободных электронов, являющихся неосновными носителями заряда.

Поэтому электроны будут стремиться проникнуть (диффундировать) в р -область, а дырки в n -область. Уходя в другую область, свободные заряды будут оставлять в своих областях ионизированные атомы примеси, жестко связанные с кристаллической решеткой. В результате, у границы раздела создаются два слоя противоположных по знаку неподвижных зарядов. Именно эта область кристалла и называется р - n переходом или запорным слоем. Внутри р - n перехода возникает электрическое поле. Создается, так называемый, потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей из контактирующих полупроводников (рис.1.1, а).

Распределение потенциала в области р - n перехода показано на рис. 1.1, (а). Величина потенциального барьера (контактная разность потенциалов ) определяется концентрациями и энергиями заряженных частиц в областях n и р

,

где — тепловой потенциал, который зависит только от температуры.

— постоянная Больцмана;

T — абсолютная температура в градусах по шкале Кельвина;

— заряд электрона;

N _А и N _Д — концентрации акцепторных и донорных примесей в дырочной и электронной областях р - n перехода соответственно;

— концентрация ионизированных атомов собственного вещества.

При комнатной температуре тепловой потенциал равен .

А А А А А А аа)		А А аб)
	А Б вв)

Рис. 1.1 — Распределение потенциала (а) в области р - n перехода при

отсутствии внешнего поля; направление тока при прямом (б) и обратном (в) включении р - n перехода

В установившемся режиме электроны и дырки будут стремиться проникнуть в противоположные области. Однако, попав в р - n переход, они будут подвержены воздействию сил поля, которое будет их тормозить и возвращать в исходную область. Только отдельные основные носители, обладающие достаточной энергией, способны преодолевать действие сил поля и пройти через р - n переход в соседнюю область. Это приведет к появлению еще одного иона, к еще большему увеличению напряженности поля, (возрастанию потенциального барьера) к еще большему затруднению условий перехода для других зарядов.

Для неосновных носителей электрическое поле p-n перехода является не тормозящим, а ускоряющим. Поэтому любая дырка из n-полупроводника, попавшая в p-n переход, будет подхвачена полем и перенесена в правую область. То же самое происходит и с электроном, попавшим в p-n переход из p -области. Из-за этого происходит обеднение пограничного слоя полупроводников n и p основными носителями зарядов, вследствие чего такой слой обладает повышенным сопротивлением.

Контактная система из двух полупроводниковых областей (рис. 1.1, а) называется диодом, причем анодом называют -область, а катодом — -область. На электрических схемах диод обозначается двумя латинскими буквами “ VD ”. Изображение диода показано на рис.1.2.

Рис. 1.2 — Изображение диода на принципиальной схеме

Если полупроводниковый диод присоединить к источнику напряжения так, что положительный потенциал источника приложен к -области, т. е. к аноду диода, (рис. 1.1, б), то под действием электрического поля, появившегося в диоде, основные носители заряда в n -области и p -области будут перемещаться к плоскости контакта. При этом обедненная пограничная зона пополняется основными носителями заряда, а сопротивление и потенциальный барьер p-n перехода уменьшаются. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении и через него течет прямой ток , величина которого определяется прямым напряжением на диоде.

При включении диода по схеме рис. 1.1, в (положительный потенциал источника приложен к области , т. е. к катоду), говорят, что диод включен в обратном направлении и на него подается обратное напряжение . При этом основные носители будут перемещаться от плоскости контакта к электродам диода, что приведет к расширению обедненной пограничной зоны, увеличению сопротивления и потенциального барьера p-n перехода. В результате основные носители не смогут участвовать в процессе образования тока диода, при этом через диод течет небольшой обратный ток , значение которого практически не зависит от обратного напряжения , приложенного к диоду.

Обратный ток диода обусловлен движением только неосновных носителей заряда, небольшая концентрация которых всегда имеет место в легированном полупроводнике, если его температура не равна абсолютному нулю (–273^oC). В технической литературе обратный ток диода называют также током насыщения.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального p-n перехода описывается выражением

,

где — обратный ток р - n перехода; u —напряжение, приложенное к p-n переходу.

На рис. 1.3 изображена типовая ВАХ полупроводникового диода

где — ток через диод; — напряжение, приложенное к диоду)

Рис. 1.3 — Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Из рисунка видно, что ВАХ диода состоит их двух ветвей, которые существенно отличаются одна от другой. Правая ветвь ВАХ соответствует прямому, а левая — обратному включению диода. Соответственно значения прямого тока , откладываемые по верхней полуоси тока в миллиамперах, намного превышают значения обратного тока , откладываемые по нижней полуоси тока в микроамперах.

В современной схемотехнике применяются как германиевые, так и кремниевые диоды. В настоящей работе исследуются характеристики германиевого диода Д2Б.

Дата добавления: 2015-05-06