Выпрямительных диодов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

Отчет по лабораторной работе №1

по дисциплине

«Электроника»

Студент группы 40 в

___________И. Г. Морозов

___________С.В. Кочетков

Проверил доцент кафедры ЭЖТ

__________ Н.А. Болдырев

Омск 2012

Цель работы:ознакомиться с устройством, принципом действия и конструктивным исполнением полупроводникового диода; изучить его свойства, статические характеристики и параметры; овладеть методикой их расчета.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называют прибор, представляющий собой двухслойную монокристаллическую структуру с одним p-n-переходом и двумя выводами. Такой диод имеет одностороннюю проводимость, которая обеспечивается особыми свойствами электронно-дырочного перехода, кратко называемого p-n-переходом.

Для изготовления диодов применяются простые полупроводниковые вещества (германий и кремний) и сложные полупроводниковые материалы (арсенид, фосфид галлия и др.). Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему необходимого типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов (n-типа) или дырочной при преобладании дырок (р-типа) – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы – легированными.

При соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности происходит образование p-n-перехода (рис. 1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы распределяются равномерно (рис. 1, а). При соприкосновении полупроводников в их пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (рис. 1, б). Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров.

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) ∆φ_к на границе полупроводников (рис. 1, в), которая препятствует движению основных носителей заряда.

φ_к

– φ

+ φ

Рис. 1. Схема образования p-n перехода

Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемого дрейфового тока I_др) происходит снижение ∆φ_к, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть барьер. Появляется диффузионный ток I_диф, который направлен навстречу дрейфовому I_др, т. е. возникает динамическое равновесие, при котором I_др = I_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап (рис. 2, а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление p-n-перехода велико, а ток, проходящий через него, мал, так как он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а p-n-переход – закрытым.

Рис. 2. Схема электронно-дырочного перехода во внешнем электрическом поле

При противоположной полярности источника напряжения (рис. 2, б) внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении 0,2 - 0,6 В запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, и возникает большой ток, называемый прямым, переход при этом является открытым. Сопротивление открытого p-n-перехода определяется собственным сопротивлением полупроводника.

Экспериментальная часть

PV1

РА1

К

А

+

+

Е1

V

A

VD

Рис. 3. Схема для исследования прямой ветви ВАХ диода

Результаты проведенных экспериментов представлены в таблицах 1 и 2

Таблица 1- значения токов и напряжений для германиевого диода Д7Ж

Прямая	U, B	0,42	0,521	0,543	0,581	0,619	0,639	0,701	0,707	0,713	0,715
I, мA	0,07	1,073	1,8	4,62	10,96	17,27	72,6	83,6	96,1	99,8
Обратная	U, B	0,21	0,65	2,49	3,57	4,77	5,81	6,71	7,77	9,53
I, мкA	0,03	0,04	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1	0,11	0,13	0,14

Таблица 2 - значения токов и напряжений для кремниевого диода КД202А

Прямая	U, B	0,04	0,13	0,155	0,22	0,26	0,274	0,323	0,339	0,343	0,36
I, мA	0,069	0,948	1,688	6,63	14,38	18,8	54,8		75,9	101,5
Обратная	U, B	0,01	0,04	0,05	0,14	0,78	1,8	4,1	6,59
I, мкA	0,007	0,02	0,023	0,026	0,027	0,029	0,032	0,034	0,036	0,038

По полученным экспериментальным данным построим ВАХ для обоих диодов (Рис. 4)

Расчетная часть

Рассчитаем прямое падение напряжения при заданном токе по формуле

U_пр = U₀ + r_дин I_пр,

где U₀ – пороговое напряжение, характеризующее падение напряжения

непосредственно на p-n-переходе

где – приращение прямого напряжения;

– приращение прямого тока.

Рис. 4. ВАХ диодов Д7Ж и КД202А

Рис. 5. ВАХ прямой ветви диода Д7Ж

Для Д7Ж:

= 0,093 В U₀ =0,62 В DI_пр=83,6 мA

1,11 Ом

U_пр = U₀ + r_дин I_пр =0,62В+1,11Ом*83,6*10^-3А=0,713 B

Рис.6. Рис. 5. ВАХ прямой ветви диода КД202А

Для КД202А:

=0,11 В U₀ =0,25 В I_пр= 101,5 мA

1,08 Ом

U_пр = U₀ + r_дин I_пр =0,36B

Вывод: в ходе лабораторной работы были изучены принцип действия, конструктивные особенности и свойства полупроводникового диода; построены ВАХ для диодов Д7Ж и КД202А, по ВАХ было рассчитано прямое падение напряжения при заданном токе, результаты расчета удовлетворяют паспортным параметрам соответственных диодов.

Контрольные вопросы

1) Что является в диоде основным и неосновным носителями заряда?

Основным носителем заряда является электрон, а неосновным – дырка.

2) Как влияют повышение и понижение температуры p-n-перехода на положение ветви ВАХ?

При повышении температуры ветвь ВАХ становится круче, а при понижении – положе.

3) Объяснить условное обозначение и маркировку диодов малой мощности.

Д7Ж – импульсный диод с временем восстановления 30…150 нс, группа Ж.

КД202А – кремниевый выпрямительный диод с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3А, но не свыше 10А.,номер разработки 02, группа А.

4) От чего зависит проводимость диода?

Проводимость диода зависит от окружающей среды, от температуры, от того, из какого материала он изготовлен.

Дата добавления: 2015-05-07