Лабораторные работы / 9283_2_лаб_диоды

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчЁт

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Твердотельная электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Студентка гр. 9283		Зикратова А. А.
Преподаватель		Хадутин В. С.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы

Исследование параметров и вольт-амперных характеристик кремниевого и германиевого диодов.

Основные положения

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах чаще всего используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Образование p-n-перехода на границе p- и n-областей полупроводника происходит вследствие диффузии носителей заряда (электронов и дырок) из - за разницы в концентрации одного типа носителей по обе стороны этой границы. Например, концентрация электронов в n-области (n_n0), являющихся основными носителями заряда, намного превышает концентрацию электронов в p-области (n_p0), где они являются неосновными носителями. В результате носители вблизи границы начинают двигаться из области, где их много, в область, где их количество существенно меньше. Электроны двигаются из n-области в p-область, а дырки – в противоположном направлении. При этом, уходя из приграничной области, носители оставляют там нескомпенсированный заряд ионизированных примесей: в n-области – положительный заряд ионизированных доноров, в p-области – отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Таким образом, на границе p- и n-областей возникает двойной заряженный слой (рис. 1, а), электрическое поле которого (E_диф) начинает препятствовать дальнейшей диффузии носителей заряда.

В состоянии равновесия сила, двигающая носители вследствие диффузии и определяемая разностью концентраций носителей одного знака, уравновешивается силой, двигающей носители полем двойного заряженного слоя и определяемой разностью потенциалов этого слоя. Таким образом, численное значение контактной разности потенциалов p-n-перехода (к) определяется разностью концентраций носителей (n_n0 – n_p0) и (p_p0 – p_n0). Тогда увеличение концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях приведет к увеличению концентрации основных носителей заряда n_n0, p_p0, разности концентраций возрастут, и больше будет контактная разность потенциалов. При увеличении температуры концентрации основных носителей заряда практически не изменятся, если примеси полностью ионизированы, но существенно возрастет концентрация неосновных носителей p_n0, n_p0 за счет увеличения ионизации собственных атомов. Тогда разности концентраций уменьшатся и, следовательно, уменьшится _к. В полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны концентрации неосновных носителей меньше, так как больше энергии требуется на ионизацию собственных атомов, поэтому разность концентраций будет больше, а значит больше и _к.

Рис. 1 – p – n – переход: а – в – пространственное распределение зарядов; г – е – энергетические диаграммы

С энергетической точки зрения, наличие двойного заряженного слоя в p-n-переходе означает присутствие потенциального барьера для основных носителей на границе p- и n-областей (рис. 1, г). Высота этого барьера определяется контактной разностью потенциалов. Высоту потенциального барьера p-n-перехода можно изменить, прикладывая внешнее напряжение. Если направление внешнего поля противоположно направлению диффузионного поля p-n-перехода (прямое включение, рис. 1 б, д), то высота потенциального барьера понижается и становится возможной диффузия основных носителей через p-n-переход. Если направление внешнего поля совпадает с направлением диффузионного поля p-n-перехода (обратное включение, рис. 1, в, е), то потенциальный барьер возрастает, и переход основных носителей затрудняется. Правда, при этом возможно движение через p-n-переход неосновных носителей заряда, для которых потенциального барьера не существует. Описанные процессы определяют вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводникового диода. Основным процессом образования прямого тока через диод является инжекция носителей заряда, то есть их введение через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера. При увеличении прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению. Носители заряда распределены по энергетическим уровням в соответствии со статистикой Максвелла– Больцмана по экспоненциальному закону, поэтому количество носителей, переходящих через p-n-переход, будет экспоненциально изменяться в соответствии с приложенным напряжением, т.е. прямой ток будет экспоненциально зависеть от напряжения.

Обработка результатов

1. Построение ВАХ германиевого и кремниевого диодов по экспериментальным осциллограммам:

Пример расчёта:

T = 293 К: U_пр = 0,5 В/дел * U[дел] = 0,5 * 1,9 = 0,95 В; I_пр = 0,005 А/дел * 1[дел] = 0,005 А

T = 328 К: U_обр = 2 В/дел * U[дел] = 2 * (-2) = -4 В; I_обр = 0,00001 А/дел * -1,3[дел] = -0,000013 А = -0,013 мА

Остальные значения сведены в таблицу 3:

Рис. 2 – Прямая ветвь ВАХа для кремниевого диода при различных температурах

Рис. 3 – Обратная ветвь ВАХа для кремниевого диода при различных температурах

Пример расчёта:

T = 293 К: U_пр = 0,2 В/дел * U[дел] = 0,2 * 1 = 0,2 В; I_пр = 0,05 А/дел * 0,2[дел] = 0,01 А

T = 328 К: U_обр = 2 В/дел * U[дел] = 2 * (-1) = -2 В; I_обр = 0,0001 А/дел * (-2,7) [дел] = -0,00027 А = -0,27 мА

Остальные значения сведены в таблицу 6:

Рис. 4 – Прямая ветвь ВАХа для германиевого диода при различных температурах

Рис. 5 – Обратная ветвь ВАХа для германиевого диода при различных температурах

2. Расчёт по ВАХ статического сопротивления диодов в прямом и обратном направлениях для двух значений токов и напряжений:

Пример расчёта для германиевого диода при T = 328 К для прямого направления:

I_{max пр} = 0,2 А, R_пр = U/I_{max пр} = 0,38/0,2 = 1,9 Ом

I_{max пр}/2 ≈ 0,095 А, R_пр = U/I_{max пр} = 0,3/0,095 = 3,2 Ом

Пример расчёта для германиевого диода при T = 328 К для обратного направления:

U_{max пр} = -5,2 В, R_пр = U_{max пр}/I = 5,2/0,00028 ≈ 18,6 кОм

U_{max пр}/2 ≈ -2 В, R_пр = U_{max пр}/I = 2/0,00027 ≈ 7,4 кОм

Остальные значения статических сопротивлений сведены в таблицу 7:

3. Построение частотной зависимости выпрямленного напряжения в полулогарифмическом масштабе:

Рис. 6 – Частотная зависимость выпрямленного напряжения в полулогарифмическом масштабе

4. Оценка ширины запрещённой зоны германиевого диода:

ΔЭ_расч = k * * ln( ) = 0,86 * 10^-4 * * ln( ) ≈ 0,7 эВ (обратные токи взяты из таблица 6 при U_обр = -2 В)

Вывод: в ходе лабораторной работы были исследованы ВАХи кремниевого и германиевого диодов при различных температурах.

1. Основным процессом образования прямого тока через диод является инжекция носителей заряда, то есть их введение через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера. При увеличении прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается пропорционально приложенному напряжению. При увеличении температуры высота потенциального барьера p-n-перехода понижается, а значит, тот же прямой ток может быть получен при меньшем прямом напряжении на диоде. В диодах на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны высота потенциального барьера p-n-перехода больше, а значит, тот же прямой ток достигается при большем прямом напряжении на диоде. При увеличении температуры обратные токи диодов растут из-за увеличения тепловой генерации носителей заряда в p-n-переходе и генерации неосновных носителей заряда в прилегающих к нему областях полупроводника. В диодах на основе полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны интенсивность тепловой генерации носителей заряда выше, а следовательно обратный ток больше.

2. При прямом напряжении высота потенциального барьера снижается, усиливается интенсивность инжекции неосновных носителей заряда, ток растёт и, соответственно, сопротивление падает. При обратном напряжении высота потенциального барьера растёт, ток обусловлен неосновными носителями заряда, концентрация которых по сравнению с основными носителями заряда мала, поэтому ток будет мал, а сопротивление при обратном напряжении сравнительно велико. При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям, поэтому ток через диод увеличивается, а сопротивление падает.

3. Согласно рис. 6 выпрямительные свойства диода не изменяются до 10 кГц. При прямом включении через p-n-переход инжектируются неосновные носители заряда, которые при быстром изменении полярности напряжения могут обеспечить довольно большой обратный ток. Другой причиной ухудшения выпрямляющих свойств может быть барьерная емкость p-n-перехода. На высокой частоте барьерная емкость может шунтировать большое обратное сопротивление p-n-перехода, обеспечивая довольно большие обратные токи.

4. Оценили ширину запрещённой зоны для германиевого диода ΔЭ_расч ≈ 0,7 эВ (ΔЭ ≈ 0,67 эВ)