Методические указания по подготовке к работе. Цель работы:изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Цель работы: изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды, измерение их вольт - амперных характеристик и определение основных параметров .

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода

(1.1)

где: I 0 – обратный ток насыщения;

φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U – напряжение, прикладываемое к диоду.

В уравнение (1.1) напряжение U подставляется со знаком «плюс» при включении диода в прямом направлении и со знаком «минус» при включении диода в обратном направлении. Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (1.1), представлен на рис. 1.2,а. При увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток Iобр, протекающий через p-n-переход диода, достигает предельного значения I 0уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I 0.

Рис. 1.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:

а – теоретическая; б – экспериментальная

При выводе уравнения (1.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 1.2,б).

Отличие экспериментальной обратной ветви ВАХ диода от теоретической обусловлено наличием в реальном диоде не только диффузионного тока экстракции, но и дрейфового тока термогенерации, а также возможностью пробоя p-n-перехода. Ток термогенерации протекает вследствие выброса полем p-n-перехода подвижных носителей заряда, появляющихся в p-n-переходе в результате термогенерации. Так как при обратном напряжении электрическое поле существует только внутри p-n-перехода, то в токе термогенерации участвуют только те подвижные носители заряда, которые рождаются в самом p-n-переходе, т.е. внутри запирающего слоя. Поскольку количество генерируемых носителей зарядов в p-n-переходе пропорционально объему запирающего слоя, ширина которого пропорциональна , то при увеличении обратного напряжения ток термогенерации будет расти также по закону . Поэтому на ВАХ, снятой экспериментально, при увеличении Uобр до определенного значения наблюдается небольшой рост обратного тока. Возрастанию обратного тока способствуют также токи утечки.

В реальном диоде при некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем p-n-перехода. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Для выпрямительных диодов наибольшее значение имеет тепловой пробой p-n-перехода, так как он приводит к выходу диода из строя.

Тепловой пробой диода обусловлен катастрофическим нарушением его теплового режима. Подводимая к p-n-переходу мощность P = Iобр Uобр расходуется на его нагрев. Образующиеся при этом одноименные носители заряда увеличивают обратный ток, что приводит к увеличению выделяемой мощности и дальнейшему разогреву перехода. При плохих условиях отвода тепла от кристалла процесс принимает лавинообразный характер и заканчивается разрушением кристалла, т.е. выходом диода из строя. Увеличение числа носителей зарядов при нагреве p-n-перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого при тепловом пробое на обратной ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок АВ на рис. 1.2). Так как число носителей (а значит, и обратный ток, и выделяемая в переходе мощность) резко (по экспоненциальному закону) увеличиваются с увеличением температуры, то для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше допустимой температуры перехода , которая для германиевых диодов составляет (70-80)⁰С, а кремниевых – (120-150)⁰С. В маломощных диодах для этого достаточно выполнить условие . В мощных диодах кроме этого может потребоваться искусственное охлаждение. Величина является важнейшим параметром диода и приводится в соответствующих справочниках. С увеличением температуры возрастает обратный ток диода, и ухудшаются условия отвода тепла, поэтому с увеличением температуры величина заметно уменьшается.

При прямом включении выпрямительного диода отличия теоретической ВАХ от ВАХ, снятой экспериментально, в основном обусловлены сопротивлением R 1 электронной и дырочной областей за пределами запирающего слоя. Если сопротивление запирающего слоя обозначить через Rзс, то кристалл полупроводника с запирающим слоем можно представить в виде последовательного соединения резисторов Rзс и R 1 (рис. 1.3).

При прохождении прямого тока Iпр на сопротивлении R 1 падает часть напряжения Uпр внешнего источника и на запирающем слое действует напряжение . В этом случае уравнение ВАХ может быть записано в следующем неявном виде:

Рис. 1.3. Упрощенная эквивалентная схема p-n-перехода

с распределенным сопротивлением полупроводника

Поскольку Uзс < Uпр вольт – амперная характеристика диода, снятая экспериментально, идет ниже теоретической.

С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление запирающего слоя Rзс уменьшается вследствие инжекции в него основных носителей заряда. При большом значении Uпр, сопротивлением запирающего слоя Rзс можно пренебречь и дальнейшее увеличение прямого тока ограничивается распределенным сопротивлением полупроводников p- и n-типа за пределами p-n-перехода. При этом ВАХ диода переходит в прямую линию.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- - максимально-допустимый прямой ток, при котором температура диода достигает ;

- - максимально-допустимое обратное напряжение, при котором не происходит пробоя p-n-перехода диода, обычно ;

- прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ (рис. 1.2) с использованием следующих соотношений:

R д пр = Uпр1 / Iпр1; R д обр = Uобр / Iобр;

- прямое и обратное дифференциальные сопротивления диода (сопротивления переменному току), которые определяются из следующих соотношений:

r i.пр = Δ Uпр / Δ Iпр; r i. обр = Δ Uобр / Δ Iобр.

При этом значения приращений тока Δ I и напряжений Δ U определяются на линейном участке ВАХ в окрестности заданной точки Х (рис. 1.2). Из-за нелинейности ВАХ диода и обе эти величины зависят от рабочей точки, т.е. от величины постоянного напряжения, приложенного к диоду.

В зависимости от значения выпрямляемого тока различают диоды малой , средней и большой мощности. Диоды малой мощности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом. Для рассеивания теплоты диоды средней мощности располагают на радиаторах охлаждения, для диодов большой мощности может потребоваться и искусственное охлаждение.

Так как допустимая плотность тока, проходящего через p-n-переход, не превышает 2А /1мм² , то для получения указанных выше значений среднего выпрямленного тока в выпрямительных диодах используют p-n-переходы большой площади. Получающаяся при этом большая емкость p-n-перехода существенного влияния на работу выпрямительного диода не оказывает в связи с малыми рабочими частотами.

Характеристики и параметры выпрямительных диодов существенно зависят от полупроводникового материала, в первую очередь от ширины запрещенной зоны Δ W. На рис. 1.4 представлены вольт – амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Так как ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, обратный ток кремниевых диодов значительно (несколько порядков) меньше.

У германиевого диода на обратной ветви ВАХ имеется ярко выраженный участок насыщения, поскольку его обратный ток определяется током экстракции, который описывается уравнением (1.1). Обратный ток кремниевого диода монотонно возрастает с увеличением U_обр, так как у кремниевых диодов ток экстракции весьма мал и обратный ток определяется главным образом токами термогенерации и утечки.

I пр I пр

mA 50⁰С 20⁰С mA 50⁰С 20⁰С

200 200

GeSi

100 100

2 1 0 0,2 2 1 0 0,5

U обр U пр U обр U пр

B B B B

2 0,01

I обр I обр

mA mA

Рис. 1.4. Вольт - амперные характеристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) выпрямительных диодов

При дальнейшем увеличении обратного напряжения в диодах происходит пробой. Вследствие большого обратного тока у германиевых диодов наступает тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла. У кремниевых диодов из-за малого обратного тока вероятность теплового пробоя мала, и у них вначале возникает электрический пробой, который может перейти в тепловой пробой при слишком большом увеличении тока.

Прямой ток полупроводникового диода также зависит от Δ W, так как увеличение Δ W приводит к увеличению потенциального барьера в переходе и, следовательно, к уменьшению прямого тока. Сравнение германиевых и кремниевых диодов легко провести с помощью формулы (1.1): вследствие меньшего значения I ₀ для кремниевого диода его прямой ток, равный току германиевого диода, достигается при большем значении прямого напряжения. Поэтому при одних и тех же значениях I_пр, мощность, рассеиваемая германиевыми диодами, меньше чем кремниевыми. По этой же причине у германиевых диодов существенно меньше U_пор и r_{i пр}.

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее термогенерация носителей зарядов, что приводит к увеличению как обратного, так и прямого тока диода, однако причины этого роста неодинаковы.

Обратный ток является током неосновных носителей зарядов, и увеличение их концентрации в результате усиления термогенерации непосредственно ведет к росту обратного тока. Прямой ток является током основных носителей зарядов, концентрация которых в рабочем диапазоне температур от температуры не зависит. Однако увеличение концентрации неосновных носителей зарядов при повышении температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера перехода, что и вызывает увеличение прямого тока.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10⁰С обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2,5 раза. Однако вследствие того, что при комнатной температуре обратный ток у германиевого диода значительно больше, чем у кремниевого, абсолютное значение приращения обратного тока у германиевого диода с ростом температуры оказывается в несколько раз больше, чем у кремниевого. Это приводит к увеличению потребляемой диодом мощности, его разогреву и уменьшению напряжения теплового пробоя.

Пробой кремниевых диодов определяется процессами лавинного умножения носителей зарядов при ионизации атомов кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается тепловое рассеивание подвижных носителей зарядов и уменьшается длина их свободного пробега. Для того чтобы электрон на меньшем пути приобрел энергию, достаточную для ионизации, необходимо увеличение ускоряющего поля, что достигается при большем обратном напряжении. Это объясняет увеличение пробивного напряжения кремниевых диодов с ростом температуры.

Дата добавления: 2015-05-06