Лабораторная работа 6

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

1. Цель работы

Экспериментальное определение характеристик и параметров выпрямительного диода и стабилитрона.

2. Домашняя подготовка к выполнению работы

2.1 Изучить по учебной литературе физические процессы в полупроводниковых диодах [1-6].

2.2 Ознакомьтесь с терминологией и буквенными обозначениями параметров диодов по ГОСТ 25529–82 по справочной литературе.

2.3 Изучить описание лабораторной работы, продумать порядок проведения эксперимента.

2.4 Выполнить предварительные расчеты.

2.5 Ответить на контрольные вопросы.

3. Расчетная часть - На основании соотношения (1.1) построить идеализированную прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Прямое напряжение устанавливать в пределах 0,5 – 0,7 вольта. Напряжение увеличивать до такой величины, пока прямой ток не достигнет значения 0,2 – 0,5 Ампера.

- Вычислить величину смещения характеристики под действием температуры, если температура изменяется в пределах 40⁰С.

4. Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p-n-переходов или переходов металл-полупроводник). Переходы металл-полупроводник называют переходами Шоттки, а полупроводниковые диоды на их основе – диодами Шоттки. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником.

Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

, (1.1)

4

где I₀ – обратный ток насыщения;

φ_T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φ_T

,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения, и при комнатной температуре φ_T ≈ 26 мВ.

График вольт-амперной характеристики, построенный согласно уравнению

Шокли, приведен на рисунке  1. На характеристике принято выделятьпрямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает: при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I₀, а затем остается неизменным. При сделанных допущениях ток I₀, который называют также тепловым током, обусловлен термогенерацией неосновных носителей в нейтральных p- и n-областях. Уравнение вольт-амперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

. (1.2)

Продифференцировав это соотношение, найдем дифференциальное сопротивление p-n-перехода

. (1.3)

При прямом смещении дифференциальное сопротивление r_{диф. пр} уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r_{диф. пр} = 26 Ом, т. е. при прямом смещении дифференциальное сопротивление p-n-перехода малó.

5

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода r _{диф. обр} резко увеличивается и при I→ −I₀, r _{диф. обр} → .

Рассмотрим влияние температуры на вольт-амперную характеристику при прямом включенииp-n-перехода. С увеличением температуры падение напряжения на p-n-переходе уменьшается. Вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах, проходят практически параллельно друг другу (рисунок 2). Влияние температуры на p-n-переход принято оценивать температурным коэффициентом напряжения (ТКН)

. (1.4)

Увеличение тока через p-n-переход объясняется тем, что с ростом температуры уровни Ферми в p- и n-областях стремятся к середине запрещенной зоны. Это приводит к уменьшению потенциального барьера и росту тока через p-n-переход.

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики реального p-n-перехода. Обратный ток в реальных p-n-переходах имеет три составляющие:

• тепловой ток I₀;

• ток термогенерации;

• ток утечки.

Тепловой ток I₀ обусловлен термогенерацией пар носителей в нейтральных p- и n-областях, прилегающих к обедненному слою.

Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Ток термогенерации обусловлен генерацией пар носителей под воздействием тепловой энергии непосредственно в самом обедненном слое.

Ток утечки обусловлен проводящими пленками и каналами, которые могут образовываться между p- и n-областями на поверхности кристалла. Ток утечки обычно подчиняется закону Ома и слабо зависит от температуры.

В реальных p-n-переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение обратного тока. Различают три вида пробоя: тепловой, лавинный и туннельный.

Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода при протекании через него обратного тока. Рост температуры p-n-перехода приводит к росту обратного тока, который приводит к росту температуры и т.д. Если количество теплоты, выделяемой в переходе, превышает количество отводимой теплоты, то этот процесс будет лавинообразно развиваться и закончится разрушением p-n-перехода.

6

Л

Рис. 3.

авинный пробой возникает вp-n-переходах при невысокой степени легирования, когда носители на длине свободного пробега под воздействием электрического поля могут приобрести энергию, достаточную для образования новых пар носителей путем ударной ионизации атомов полупроводника. Напряжение лавинного пробоя очень слабо зависит от тока, протекающего через p-n-переход. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен, что объясняется уменьшением длины свободного пробега носителей при увеличении температуры.

Туннельный пробой имеет место в сильно легированных p-n-переходах и связан с туннельным эффектом, под которым понимают переход электронов

через тонкий потенциальный барьер без изменения энергии.

Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зависит от тока, протекающего через p-n-переход.

Лавинный и туннельный пробой обратимы, если не переходят в тепловой. Лавинный и туннельный пробой как полезные явления используются в стабилитронах.